SiC實物評測:是否有傳說的那麼好?

作者 : 趙明燦,EDN China

都說SiC和GaN可以實現高效率,從而輕鬆滿足業界所提出的最新能效要求。現在,EDN China申請到一款最新的SiC評估板,據說單級PFC的效率達到99%。現在就拿它來做個評測,看看效率是否有聲稱的那麼好。

 

近幾年,在電力電子領域,以SiC和GaN為代表的寬能隙半導體很熱。各大科技媒體爭相報導它們有這樣那樣的好處,例如,SiC耐高電壓和高溫;GaN的開關頻率很快,可以縮小變壓器尺寸,從而實現小體積…同時,它們還有一個很大的特點,就是高效率——可以輕鬆滿足業界所提出的最新能效要求。

前不久,EDN China從英飛凌打聽到他們家新推出了一款SiC評估板。於是不假思索地向他們提出,能不能拿塊過來做個評測,看看效率是否有聲稱的那麼好。英飛凌很爽快地答應了這個請求;一周後EDN China就順利地拿到了板子(如下),在此首先表示感謝!

然而,當拿到評估板,根據產品名稱「3,300W CCM bi-directional totem pole PFC」查詢到應用筆記後,EDN China傻了眼,這塊板子評測起來至少需要用到交流電源、直流電子負載、功率分析儀/萬用錶、示波器和熱像儀等五種儀器。不得已,只好再次聯繫英飛凌,看他們深圳辦公室的實驗室是否能夠對EDN China開放。

該公司瞭解我們的需求後,表示這些東西他們家應有盡有,於是又一次答應了我們的請求,並且還很貼心地給我們配備了一名技術專家——宋清亮(Owen),來協助我們完成評測,在此再次表示感謝!

在敲定好拜訪時間後,EDN China拿著板子來到了英飛凌在深圳的辦公室。

SiC評估板裡的主要子電路和元件

首先來看一下這款評估板裡所包含的主要子電路和關鍵元件。

首先,這塊電路板的右上角是EMI濾波電路,它包含幾顆共模電感、安規電容(X和Y)、NTC熱敏電阻,以及交流電輸入接線端子、保險絲和繼電器。左上角的兩塊子電路板分別是偏置板(輔助電源)和控制板:偏置板是一塊準諧振返遲式開關電源,用來為風扇、MOS管閘極驅動和控制電路供電;控制板則用來實現電壓、電流和極性檢測,以及確保無橋圖騰柱拓撲能夠正確工作。

剩餘的部分就是無橋圖騰柱本身了。它包括PFC扼流圈、大電解電容,以及貼在散熱器兩邊的分別兩顆SiC和Si MOS管。

宋清亮告訴EDN China,前兩天他也正好拿到相同的板子,對它進行了測試。他補充,這個電路板是一級PFC,效率達99%。由於採用了SiC MOSFET作為功率開關,因此使用了電流連續模式(CCM)圖騰柱無橋PFC拓撲。這裡需要說明的是:由於CCM圖騰柱拓撲在每個開關週期內續流管的體二極體都要經歷硬換流(二極體在導通過程中由於被突然施加反壓而強制關斷),因此傳統矽MOSFET是無法可靠應用於該拓撲。

由於只有一級PFC電路,因此主要可以測的指標有效率、功率因數和發熱。

各負載點下的效率

首先來看效率——這塊板子的滿載輸出功率為3.3kW,半載時可達最大效率。這裡可以用功率分析儀或萬用錶來測,為了方便,選用功率分析儀來測,從0.5A輸出電流(0.2kW輸出功率)開始成倍數地增加負載(詳細測試請見視訊)。

7.5A(3kW)時的效率。

隨後,宋清亮把測試過的效率資料分享給了EDN China,如下圖所示。兩條曲線的資料分別來自功率分析儀和萬用錶。他告訴EDN China,測試儀器有一定誤差,這裡萬用錶的精準度比功率分析儀高,所以曲線偏上。由此可見,在半載情況下,這塊電路板確實能夠達到99%以上的效率。

功率因數

以下用示波器測功率因數(詳細測試過程請見視訊)。順便提一下,由於採用圖騰柱無橋PFC拓撲,電流可以雙向流動,因此有整流器(PFC)和逆變器兩種工作模式選擇(雙向),這也是圖騰柱拓撲所固有的特性。

在電流值比較小時,電流和電壓的相位關係還算不錯,但電流波形不太漂亮。隨著負載加大,電流的正弦性得到改善,功率因數也就得到提高。

發熱

最後再來看發熱情況。把風扇去掉,讓板子在滿載情況下持續工作,大約20分鐘後,溫度達到最大值。

宋清亮告訴EDN China,相比Si和GaN來說,SiC耐高溫性能更好,其Rds(on)隨溫度變化更小,因此在發熱測試中所受到的效率損失很小。

SiC的頻率確實做不到GaN那麼高,因此沒有體積上的優勢。但是,它的特性(易用性)最像IGBT,並且不存在IGBT那樣的拖尾電流現象。同時,SiC MOSFET由於開啟門限電壓較高(~4V),並且在關斷過程中由於汲極電壓變化引起的dv/dt 在閘極上所引起的感應電壓很低,因此採用SiC MOSFET不需要採用負壓關斷,也就不需要在變壓器上多繞一個線圈來提供負壓,可以節省成本,這是工程師最喜歡的。此外,IGBT達不到這麼高的效率,這就是SiC的優勢。

另外,他補充,實際應用的電路板也不一定要做到這麼大。比如,這裡有四顆電解電容,是為了滿足掉電保持時間的要求而設置的——如果沒有這方面要求,只要用到兩顆就夠了。

又比如,通常來說,PFC電路是AC/DC電源的第一級,其後往往還有一級隔離的DC-DC電源,因此在實際產品中,PFC的輸出是不需要有共模電感。這塊評估板為了測試EMI的性能,在輸出增加了共模電感,這就增加了尺寸和降低了效率(共模電感也有功耗)。

總之,對於AC/DC電源,如果採用CCM圖騰柱拓撲和SiC MOSFET,其PFC級可以實現比評估板還要高的效率和功率密度。

本文為EDN China原創文章

掃描或點擊QR Code立即加入 “EETimes技術論壇” Line 群組 !

 EET-Line技術論壇-QR

發表評論