SiC BJT作为高效功率器件的应用(2)

3 实验研究
所研究器件的性能适用于一个潜在应用中，即一个额定功率为1 7 k w 的光伏系统的升压转换器，输出电压为60 v ，输入电压范围为40 -530 V 。 由于降低成本的压力越来越大，设计的主要目的不是达到很高的效率，而是实现较高的芯片利用率(热限制)及小滤波元件。针对后一个方面，我们对更高的开关频率和不同的磁芯材料性能的限制进行了研究。最后，实施了一个减少驱动损耗的解决方案。
3 .1 驱动电路：降耗用可选配置
驱动电路需要实现两个功能，即为器件电容提供快速充电/放电以实现快速开关行为，以及保证持续基极电流供给以避免正向损耗增加和饱和。
关于动态工作，最优策略是依靠更高的电压等级(25 V左右)，以保证更快的瞬态特性。这实际上只有使用BJT 时才有可能，因为像MOSFET 等没有驱动电压限制。此外，与大部分常关型SiC 器件相比，BJT 不需要负驱动电压来提高抗干扰能力，因为闭值电压远高于2V ，器件只有在基极电流持续供应时才被激活。关于静态工作，考虑到导通和驱动损耗之间的折中，反过来要仔细选择合适的基极电流值。对于SiC BJT 来说，尽管增益值很高(可因而降低基极电流)，由于基极与发射极之间较高的正向压降(原因在于更宽的带隙)，驱动损耗仍然很关键。期间，基极电流增加一倍(从0 .5 到1A )，正向等效电阻只减少10 % 。因此基极电流的重要意义不仅仅在于减少导通损耗，更重要的在于使饱和区转到更高的等级。当考虑较高水平的纹波电流工作时这方面尤其重要，如所研究的升压转换器的情况。我们选择基极电流最小为1A ，以使开关能力达到40 A 。据此可以计算静态驱动损耗作为所选驱动电压和输人电压值(间接意味着占空比值)的函数。从下面的图表，可以断言实现高开关速度所必需的高水平驱动电压(25 V) 还会导致接近8W 的损耗，主要集中在基极电阻上。为了应对这种限制，一种方法是动态和静态工作时分开供电。基本原理图如图3所示，通过“斩断”高压驱动器的控制信号，以便仅在开关瞬间的短暂时间间隔内启用它；另一方面，静态驱动级在整个开启时间内保持激活，并由一个较低的电压提供，从而降低了静态损耗。
3.2 输入滤波电感：新材料带来的最大尺寸缩减
正在分析的降低电源转换器成本的另一种方法是增加功率密度，从而减少无源元件的支出。这不仅可以通过工作在更高开关频率(SiC BJT 提供更低的开关能量)下实现，而且可以通过使用新的磁芯材料实现。我们研究了由薄层纳米晶体材料Vitroperm 500F 最新制成的切割磁芯的性能。由于超低的损耗及良好的高频工作性能，这种材料也可以工作在高饱和磁通量下，从而其磁芯截面与铁氧体材料相比大幅减小。为了能对这种材料的潜力有更广泛的认识，我们分析了各种磁芯材料在不同频率值下工作在最大纹波电流(40% )时的性能。假定电感器体积可以由电感数值近似估计，我们通过可达到的饱和磁通峰值与频率值计算出了一个因子，如下图所示。 在达到所定义的单位损耗为100mw /cm^3这个特定“关键点”后，峰值磁通量减少，以避免过热。 如果在该点过后不断增加频率，将带来额外尺寸的缓慢持续减小。 从上述结果，可以得出一些有趣的结论。首先，像vi trope rm so F等高磁通量材料可达到的尺寸因子，只有在频率显着增加时才可以由低成本的铁氧体材料达到，这将导致更高的开关损耗和更低的芯片利用率。另一方面，如果SiC器件向更高的开关频率(接近IM H z)方向迈进，只有和具有很低单位损耗的磁芯材料比如N 亿n基铁氧体材料相结合，并且假设开关速度值很高时才有吸引力。为了说明可达到的尺寸缩小情况，图4示出了采用v itr ope nn s(X) F材料的电感结构和基于铁氧体的等价解决方案间磁芯尺寸的对比情况。
3.3 结果
从图5 中能够观察到所达到的效率水平(包括两级驱动方案的驱动损耗)，曲线下为计算出的不同损耗所占的比例分布。从得到的结果，可以得出几条结论：首先，BJT 在高电流负载下工作是可能的，不会达到临界温度或饱和； 此外，两级驱动方案使驱动损耗大大降低，根据计算该损耗相当于输人功率的约0. 02 % 。从损耗的计算结果可以看到续流肖特基二极管的损耗尤其显著，特别是在输人电压较高的情况下更是如此。 因此一个更有效地解决方案是用同步整流工作的开关替代这些二极管，然而正如前面提到的那样，这种方案不能采用BJT 器件。 4 结论
在现有的不同的SiC 开关技术中，BJT 提供了最佳选择方案之一，它拥有较低的芯片电阻系数和较低的温度依赖性。此外，可以证实的是，与硅BJT 相关的常见缺点如动态特性较差，增益较低及SOA局限等，在用SIC 材料时是不存在的。根据最近发表的文章，其它与可靠性有关的问题如双极器件劣化问题，已经基本消除。这种器件应用在所选的转换器上实现了很高的效率，而不必借助于扩大系统的规模，即并行连接多个设备的方法。运用更高的开关频率及新型磁芯材料能够使滤波电感显著减小，其尺寸大约为参考系统的1/ 4 。因此，更低的芯片成本， 更低的功耗水平(更小的散热片)及更小的滤波元件表明了器件在实现硬件级节约的巨大潜力。