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在软开关转换器中使用SiC级联,会有什么效果?

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SiC级联可提供一系列益处。与软开关转换器(例如LLC和PSFB类型)非常相关的一个好处是具有非常低的开关能量损耗EOFF。当提取效率的最后一个百分点时,EOFF的低值确实有帮助。本文着眼于拓扑及其损失。

解释“黑暗面”

宇宙学家说,73%的宇宙是由“暗能量”组成的,他们不知道它是什么,除了它在某种程度上推动了宇宙的加速膨胀。初级电源设计工程师有时会认为他们知道答案 - 这是他们从高功率开关晶体管中获得的看似无法解释的额外损失。所有这些微焦耳乘以世界上MOSFET和IGBT的数量加起来......好吧,实际上还不够。

 

关于开关损耗的开关

工程师们已经通过更好地了解电源转换器中的“硬开关”导致电压和电流之间不可避免的重叠导致瞬间高耗散的影响,揭示了开关损耗。解决方案是“软开关”转换器,试图在零电压或电流下转换,最新的转换是LLC和相移全桥(PSFB)类型。比较可以在图1中看到。

 

LLC和PSFB转换器

图1. LLC(左)和PSFB(右)转换器

 

这些拓扑结构是“谐振”转换器,利用电感器中的电流不会突然改变的事实。因此,电压和电流的转换可以分开,因此它们不会重叠并导致耗散。对于电源开关的接通,这可以非常容易地完成,使得电流仅在电压降至零之后流动。这是“零电压开关”或ZVS。关闭,ZVS不存在,唯一的希望是“零电流开关”或ZCS。这实现起来很复杂,并且复杂性通常超过了好处,因此关闭转换通常是“硬开关”。

 

SiC使LLC和PSFB转换器变得可行

LLC和PSFB转换器现在已经成为主流的原因之一是IGBT和Si-MOSFET等开关的老技术在硬关断时会产生过多的功耗。特别是IGBT的长电流尾部存在问题。然而,诸如快速MOSFET之类的器件以及碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的宽带隙技术使得拓扑结构在关断转换速度下成为可行,其提供最小的电压/电流重叠以及随后的耗散。

由于效率目标非常具有竞争力,仅仅几分之一的百分比被认为值得追逐,因此正在开发最小化关闭损耗的设备。为了比较开关,定义了值EOFF,其为关断时消耗的能量,导致开关通道中的耗散的电流/电压重叠的组合以及对开关输出电容COSS充电所需的能量。严格来说,COSS中的能量实际上并没有“丢失”,因为它返回到大容量电容器,但确实会导致充电/放电电流,从而增加传导损耗。

 

SiC Cascodes

提供最小总体EOFF的器件是碳化硅共源共栅。实际上,对于影响效率的一系列参数,它在IGBT,Si-MOSFET和SiC MOSFET方面的得分最高(图2)。这种高性能是由于COSS的开关速度和非常低的值,这是SiC级联芯片尺寸相对较小的结果。一个显着的影响是,已经很差的IGBT开关损耗随着温度的增加而强烈增加,而共源共栅和MOSFET几乎是独立的。 

 

SiC级联与其他技术的比较

图2. SiC 级联 与其他技术的比较。

 

使用SiC共源共栅的净效应是您可以将工作频率的关断损耗换成最佳系统解决方案(功耗为EOFF x频率ICfans)。此外,更快的关断有助于保持谐振转换器将ZVS维持在更高频率所需的最短死区时间。SiC共源共栅还具有非常快的等效体二极管,有助于提高谐振切换期间的效率。

由于EMC原因,有时必须驯服SiC共源共栅的显着切换速度,但这很容易以增加栅极电阻值而牺牲EOFF。图3显示了不同的RG值如何影响UnitedSiC UJC1206K器件的EOFF。或者,如果RG的高值导致不可接受的长延迟时间,则可以采用RC缓冲器。如果需要,可以使用额外的二极管简单地实现用于导通和关断的单独栅极电阻值(图4)。

 

SiC级联RG控制EOFF

图3. SiC 共源共栅 RG控制EOFF

 

二极管可以分别控制SiC共源共栅的开关时间

图4.二极管可以分别控制SiC共源共栅的开关时间。

 

谐振转换器中的开关的输出电容形成谐振回路的一部分。对于选定的谐振频率,高电容会迫使电感降低,这并不总是令人满意的。例如,在LLC转换器中,这将导致高的循环磁化电流,其不会对传递的功率产生影响并且仅产生传导损耗,从而损害效率。SiC级联中COSS的低值确实对此有帮助。如果电路需要更高的电容,它可以简单地作为分立元件添加 - 它不能被带走。

 

没有更多的能量损失

SiC级联是所有开关电路拓扑的理想解决方案,具有速度快,体二极管快,高温操作,低RDSON和耐用性。您可以添加它们的低EOFF,以便与最新的高效LLC和PSFB转换拓扑完美匹配。