【導讀】高壓功率系統(tǒng)設計人員努力滿足硅MOSFET和IGBT用戶對持續(xù)創(chuàng)新的需求。基于硅的解決方案在效率和可靠性方面通常無法兼得，也不能滿足如今在尺寸、重量和成本方面極具挑戰(zhàn)性的要求。不過，隨著高壓碳化硅（SiC）MOSFET的推出，設計人員現(xiàn)在有機會在提高性能的同時，應對所有其他挑戰(zhàn)。
在過去20年間，額定電壓介于650V至1200V的SiC功率器件的采用率越來越高，如今的1700V SiC產(chǎn)品便是在其成功的基礎上打造而成。技術的進步推動終端設備取得了極大的發(fā)展；如今，隨著額定電壓為1700V的功率器件的推出，SiC技術的眾多優(yōu)勢已惠及新興終端設備細分市場，包括電動商用和重型車輛、輕軌牽引和輔助動力、可再生能源以及工業(yè)傳動等領域。
設計人員可借助適當?shù)墓β势骷庋b和柵極驅(qū)動最大程度地發(fā)揮1700V SiC MOSFET的優(yōu)勢，這樣便能在最寬的功率水平內(nèi)擴大其相對于現(xiàn)有硅解決方案的優(yōu)勢。
低功率水平下的優(yōu)勢
在低至幾十至幾百瓦的功率下工作時，1700V SiC MOSFET晶體管的優(yōu)勢開始展現(xiàn)。SiC技術是輔助電源（AuxPS）的理想解決方案，幾乎所有電力電子系統(tǒng)都使用AuxPS。如果沒有輔助電源，將無法為柵極驅(qū)動器、檢測和控制電路或冷卻風扇供電。由于它提供任務關鍵型功能，因此可靠性是AuxPS應用的第一要務。
1700V SiC MOSFET幫助減輕AuxPS故障的方法之一是利用其高擊穿電壓、低比導通電阻和快速開關等特性。在這些特性的共同加持下，可極大簡化采用單開關反激拓撲的電路設計（見圖1）。相比之下，基于硅的解決方案則面臨各種問題，包括額定電壓對于該拓撲而言過低（這就需要使用雙開關架構，導致故障風險加倍），或者需要犧牲性能才能達到額定電壓。此外，這類解決方案的供應商數(shù)量較少，成本也高于SiC器件。
圖1. 采用寬輸入單開關反激拓撲的常見輔助電源
1700V SiC MOSFET采用單開關反激拓撲，便于當今的低功率隔離開關電源支持多種輸入和輸出要求。它們能夠接受范圍較寬的高壓直流輸入（300V至1000V）并輸出低壓（5V至48V）電源。單開關反激拓撲不但改善了簡便性，還減少了元件數(shù)量并降低了相關總成本。
除了可靠性提高、控制方案復雜度降低、元件數(shù)減少和成本下降以外，利用1700V SiC MOSFET的AuxPS的外形也更加小巧。SiC MOSFET的面積歸一化導通狀態(tài)電阻也稱為比導通電阻（Ron,sp），是硅MOSFET所呈現(xiàn)特性的一部分。這意味著小型芯片可以使用小型封裝，從而降低導通損耗，最終使散熱器的尺寸減小、費用降低，甚至無需使用散熱器。SiC MOSFET的開關損耗也較低，這為通過增大開關頻率來縮減變壓器的尺寸、重量和成本提供了一種途徑。
圖2給出了各種SiC器件的效率隨輸出功率提高的程度。憑借當今最高效的器件，系統(tǒng)設計人員甚至能夠?qū)崿F(xiàn)被動冷卻，即無需散熱器。
圖2. 多款SiC器件與一款硅高壓MOS器件的效率—輸出功率曲線比較
隨著功率處理能力的提高，優(yōu)勢逐漸增多
隨著功率處理能力的提高，SiC技術更快速、更高效的開關性能的影響也在增加。當功率范圍增加至幾十或幾百千瓦（kW）時，SiC技術有許多應用。圖3給出了功率為千瓦級的三相逆變器（本例中為75 kW）及其拓撲。它經(jīng)常應用于EV牽引、EV充電器、太陽能逆變器、UPS和電機驅(qū)動等領域。
圖3. 上述千瓦級三相逆變器（包括功能部分和拓撲）的關鍵優(yōu)先級依次為效率、可靠性和功率密度（尺寸減小且重量減輕）
圖4將此使用1700V低電感封裝功率模塊的逆變器設計的效率與替代功率半導體的效率進行了比較。SiC模塊在10 kHz時的峰值效率可達99.4%。即使開關頻率變?yōu)樵瓉淼娜?，即達到30 kHz，SiC模塊的效率仍然高于硅IGBT。這樣一來，便可以替換掉更重、更昂貴的濾波器組件，使尺寸縮小至原來的三分之一。
圖4. 10 kHz和30 kHz開關頻率下SiC解決方案與硅IGBT的效率比較
通常，與硅IGBT相比，MOSFET的開關損耗平均降低80%，這不但有助于轉(zhuǎn)換器提高開關頻率，還能替換掉更重、更昂貴的變壓器，從而縮小尺寸、減輕重量及降低成本。SiC MOSFET和硅IGBT在重載下的導通損耗相似，但考慮所謂的“輕載”條件其實更加重要，因為很多應用在其大部分使用壽命期間都在輕載條件下運行。處于遮陽結構下或陰天時的太陽能逆變器，無風天氣下運行的風力渦輪機轉(zhuǎn)換器，通過運輸輔助電源（APU）定期開/關的列車車門等，這些均處于輕載條件下。在這些用例中，與硅IGBT相比，SiC MOSFET的導通更低，這與它們減少的開關損耗相輔相成，設計人員可以減少甚至去除散熱或其他熱管理措施。
與低功率AuxPS應用一樣，憑借在這種較高功率范圍內(nèi)使用的SiC MOSFET，設計人員可通過使用更簡單的電路拓撲和控制方案來提高可靠性。而這又有助于減少元件數(shù)并降低相關成本。在這些應用中，中等功率電源轉(zhuǎn)換器的高功率傳輸需求需要使用通常介于1000V和1300V之間的較高直流總線電壓。為了最大程度提高效率，在此類高直流鏈路電壓下使用硅晶體管的設計人員過去不得不從一些復雜的三級電路架構中進行選擇。例如，二極管中性點鉗位（NPC）電路、有源NPC（ANPC）電路和T型電路。當使用1700V SiC MOSFET時，這種情況發(fā)生了改變，設計人員現(xiàn)在可以使用器件數(shù)減半且控制方案顯著簡化的兩級電路。例如，之前在三級電路拓撲中使用硅IGBT的系統(tǒng)，現(xiàn)可在更可靠的兩級拓撲中使用一半數(shù)量（或更少）的1700V SiC MOSFET模塊。
圖5給出了設計人員利用SiC技術大幅減少NPC、ANPC和T型電路的總器件數(shù)的顯著程度。如果完全不考慮在每個開關位置并聯(lián)的多個器件的好處，那么IGBT所使用的各種電路架構的元件數(shù)將達到SiC解決方案的4至6倍。隨著器件數(shù)的大幅減少，柵極驅(qū)動器的數(shù)量也相應減少，這樣控制方案便得到了簡化。
圖5. SiC技術能夠利用更簡單的兩級拓撲提高效率和功率密度，同時增強可靠性。這樣，每相橋臂只需兩個器件加上兩個驅(qū)動器即可構成75 kW三相逆變器，如上面的NPC、ANPC和T型電路示例中所示
邁向兆瓦級應用
兆瓦級應用涵蓋商用和重型車輛中的固態(tài)變壓器（SST）和中壓直流配電系統(tǒng)到牽引動力單元（TPU）。其他應用包括中央太陽能逆變器、海上風能轉(zhuǎn)換器和艦載電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。圖6提供了模塊化多級轉(zhuǎn)換器的示例。
圖6.模塊化多級轉(zhuǎn)換器
在處于此兆瓦級功率范圍的應用中，上圖給出的固態(tài)變壓器轉(zhuǎn)換器使用多級串聯(lián)電源單元滿足電壓要求。每個單元可以是半橋單元或全橋單元。一些設計人員甚至會選擇三級架構。使用基于基本單元的模塊化解決方案有助于提高可擴展性，同時最大程度地減少維護工作。這些單元有時稱為電力電子構件或子模塊，它們配置為級聯(lián)H橋轉(zhuǎn)換器或模塊化多級轉(zhuǎn)換器（MMC）。
為了實現(xiàn)這些單元，設計人員過去使用1200V至1700V硅IGBT。將這些IGBT更換為1700V SiC MOSFET（單元級）時，產(chǎn)生的效果與低功率應用中的描述相同：更出色的功率處理能力和電氣性能。1700V SiC MOSFET的低開關損耗可提高開關頻率。每個單元的尺寸大幅減小，并且1700V的高阻斷電壓可減少達到相同直流鏈路電壓所需的單元數(shù)。最終，這不但通過減少單元數(shù)提高了系統(tǒng)可靠性，同時還通過使用更少的有源開關和柵極驅(qū)動器降低了成本。例如，當在10 kV中壓配電線上運行的固態(tài)變壓器中使用1700V SiC解決方案時，與使用硅替代方案的變壓器相比，串聯(lián)單元數(shù)減少了30%。
功率器件封裝和適當柵極驅(qū)動的重要性
SiC MOSFET能夠以極高的速度進行高功率開關，因此必須減輕由此引起的次級效應，包括噪聲和電磁干擾（EMI），以及由寄生電感和過熱引起的有限短路耐受時間和過壓。典型中等功率電源轉(zhuǎn)換器可在1 μs內(nèi)關閉1000V–1300V總線上的幾百安電流。
Microchip提供能夠大幅減小寄生電感的SiC MOSFET模塊封裝選項。其中包括雜散寄生電感低至2.9納亨（nH）以下的半橋封裝，這種封裝可最大程度地提高電流、開關頻率和效率（見圖7）。這類封裝還提供更高的功率密度和小巧的外形，并聯(lián)少量模塊即可構建完整系統(tǒng)，有助于進一步減小設備的尺寸。
圖7. 當今的SiC模塊為設計人員提供了多種封裝選項，包括雜散電感低至2.9 nH以下的半橋選項（如上所示）
除了最大程度地減小封裝電感和優(yōu)化系統(tǒng)布局以外，設計人員還可使用專門設計的全新柵極驅(qū)動方法來減輕SiC MOSFET快速開關引起的次級效應。與傳統(tǒng)模擬方案相比，當今的可配置智能快速反應數(shù)字柵極驅(qū)動器最高可將漏極-源極電壓（VDS）過沖降低80%，開關損耗降低50%。此外，這類驅(qū)動器還能使上市時間最多縮短6個月，并且提供全新的增強型開關功能。
憑借這些功能，設計人員可探索各種配置并將其重復用于不同的柵極驅(qū)動器參數(shù)，例如柵極開關配置文件、系統(tǒng)關鍵型監(jiān)視器和控制器接口設置。它們能夠快速微調(diào)柵極驅(qū)動器來支持多種不同的應用，而無需對硬件進行任何修改，從而縮短從評估到生產(chǎn)的開發(fā)時間。它們還能夠根據(jù)需要和/或在SiC MOSFET性能降低時在設計過程中更改控制參數(shù)，以及現(xiàn)場更改開關配置文件。
當今的SiC MOSFET產(chǎn)品也是綜合SiC生態(tài)系統(tǒng)的一部分，可滿足從評估一直到生產(chǎn)的各種需求。其中包括可定制的模塊選項以及數(shù)字柵極驅(qū)動器，用戶只需單擊鼠標即可優(yōu)化系統(tǒng)性能及縮短上市時間。其他生態(tài)系統(tǒng)元件包括參考模塊適配器板、SP6LI低電感功率模塊、安裝硬件以及熱敏電阻和直流電壓連接器，再加上可配置軟件的編程工具包。配套的分立式產(chǎn)品完善了生態(tài)系統(tǒng)。
眾多優(yōu)勢
在從數(shù)瓦到數(shù)兆瓦的眾多功率變換應用中，高壓SiC MOSFET正在推動設計人員超越硅解決方案的各種限制，從而推動功率變換系統(tǒng)開發(fā)領域的創(chuàng)新。在應用到功率轉(zhuǎn)換器和功率系統(tǒng)時，它們能夠提高可靠性和效率，同時降低成本、減小尺寸并減輕重量。與智能數(shù)字柵極驅(qū)動配合使用時，1700V SiC MOSFET可發(fā)揮最大價值。Microchip提供豐富且可靠耐用的SiC元件產(chǎn)品組合，這些產(chǎn)品以芯片、分立元件和功率模塊以及數(shù)字柵極驅(qū)動器解決方案的形式提供，讓設計人員能夠輕松、快速且自信地采用SiC。
來源：Microchip
作者：Xuning Zhang和Kevin Speer
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