利用SiC因應開關速度挑戰

作者 : UnitedSiC

開發人員現在可以使用最佳SiC FET額定電壓,讓電源轉換器電路加速至高頻,並獲得較小的濾波和功率級磁性元件帶來在體積、重量和成本的優勢...

電源轉換器中使用了不同技術的寬能隙半導體,並經常被拿來比較這些半導體的開關速度和邊緣速率。其速度越快,支援的工作頻率就越高、損耗越低,電源轉換器磁性元件就越小,這聽起來好像很美好。

但在真實世界中,更快的dV/dt和di/dt也會成為麻煩問題,讓您難以滿足EMI規格要求——極小的軌值或寄生電感以及電路電容會產生振鈴,而且如果必須添加多個昂貴的大濾波器來突破發射限制,寬能隙技術就變得沒那麼有吸引力了。振鈴還會導致電壓過衝,從而可能造成損壞,至少會降低電壓安全裕度,因而必須使用額定電壓更高或更昂貴的元件,而這通常伴隨更高的導電損耗。

邊沿放緩增加耗散

在實務中,必須控制邊沿速率以避免過衝應力,一個常見解決辦法是添加閘極電阻,而且通常會使用二極體閘極控制方法,讓電阻在打開瞬態和關閉瞬態具有不同的電阻值。

當然,這會降低電壓和電流邊沿速率以及內部電壓過衝,但是會增加關閉時的電壓/電流重疊,從而提高耗散的功率,而且毫不影響振鈴持續時間,該時間發生在關閉瞬態和閘極驅動穩定後。如果嘗試降低電感以儘量減小振鈴,也可能因為實際佈局而失敗,因為實際佈局需要實現安全分離並符合所選元件的封裝類型。

緩衝電路是領跑技術

一個更好的解決辦法是使用SiC FET,對於硬開關應用,這個辦法是跨整個元件使用小RC值的緩衝電路;而對於軟開關,則是在開關處使用電容器,並在整個直流(DC)鏈路軌使用RC緩衝電路。即使緩衝電路RC值小,也可以有效抑制振鈴,同時限制過衝並保持低損耗。1顯示在硬開關電路中緩衝電路將過衝值控制到與使用5歐姆(Ω)閘極電阻時相同,但其阻尼卻好得多。

相較於僅使用閘極電阻,關閉能量Eoff會減半,但是開啟能量Eon則會增加10%,因此,為了進行公平比較,我們比較Etotal的結果顯示整個緩衝電路方法更高效,同時能提高所需要的阻尼。在實際電路中,如果ID是40A,開關頻率為100kHz,則使用緩衝電路並且沒有Rgoff的40m Ω SiC FET會耗散10.9W功率,低於僅使用5 Ω Rgoff時。在這兩種情況下,Rgon都設為5Ω。對於軟開關應用,採用簡單電容器緩衝電路時損耗甚至會更低。

1:緩衝電路在硬開關電路中控制過衝。

從波形中可以看出,閘極電阻解決辦法還會增加從閘極驅動到漏極電壓上升之間的延遲,大約會從33ns延遲到104ns,而這會限制可以達到的最小工作週期和高頻轉換器電路的運行範圍。

SiC FET用戶指南加快緩衝電路值選擇

透過觀察振鈴波形可以輕鬆計算緩衝電路值,只需添加一個小的已知緩衝電路電容器C1,它的電容大約是SiC FET資料表輸出電容Coss的3倍,然後觀察頻率變化,再推斷出寄生電容C0,其中包含Coss、雜散電容和所有散熱貢獻。寄生電感L現在可以透過L-C諧振方程計算得出。可能的緩衝電路起始值為C1= 2 x C0,R=√(L/(C0+C1))。在UnitedSiC網站上可以找到建議值(參見:SiC FET使用者指南),在這裡提供了各種產品在硬開關和軟開關的LLC和PSFB應用以及一系列頻率之建議值,可以調節這些值,以實現可接受的效率、電壓應力和EMI的組合。

因此,開發人員現在可以做好準備,讓電源轉換器電路加速至高頻,並獲得較小的濾波和功率級磁性元件帶來在體積、重量和成本的優勢。所有這些都需要使用最佳SiC FET額定電壓來完成任務,並讓所含EMI達到可控層級。

本文原刊登於EDN China網站,Frankin編譯

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