碳化硅升压转换器实现高峰值效率

本文介绍了一个采用下一代1200V碳化硅（SiC）MOSFET和肖特基二极管的10KW交错式DC/DC升压转换器。与传统基于Si IGBT的设计相比，该转换器设计证明了使用SiC功率器件具有高频操作的优点。
实验结果证实，SiC可以实现达99.1%的高效率，比硅高了近1%，工作温度提高了高达34%，同时开关速度高出了50%。总体而言，SiC提供了更好的性能，同时可以实现更小、更轻、成本更低的系统。
简介
SiC器件的特点是有一些有前途的性能，如低开关损耗、低导通电阻、高阻断电压和高辐射硬度。在越来越多的SiC器件供应商和产品当中，Cree公司推出了业界第个真正的常关型(normally-off) SiC MOSFET，补充其既定的SiC肖特基二极管产品线。Cree器件的出色性能结合了由个标准MOSFET开关架构提供的易用性设计。SiC MOSFET的驱动类似于传统Si MOSFET或IGBT，并且可以在许多功率应用中取代硅。利用系统优化，SiC MOSFET在不牺牲效率和热性能的情况下，远远超出了硅实现的高频操作。
与硅器件相比，由于固有的快速开关，SiC MOSFET具有较低的单位器件面积Rds(on)，可导致更低的传导损耗和更低的开关损耗。对比IGBT，通过消除IGBT尾电流进一步降低了开关损耗，这一结果来自于其双极型器件结构。图1示出了SiC MOSFET和Si的IGBT理想的VdS或vce和Id波形。SiC MOSFET的开关和传导损耗比IGBT更低。 为了说明SiC MOSFET性能，Cree公司开发了一个10KW交错式DC/DC升压参考设计，它采用了Cree公司的碳化硅1200V 20A (CMF20120D) MOSFET和SiC 1200V 20A (C4D20120D)肖特基二极管。使用高性能碳化硅功率器件可实现10kW太阳能逆变器的显著的性能增益，例如，可实现60KHz-100KHz的更高工怍频率和更高的效率。此参考设计也可用于系统中的任何其他非隔离升压应用，如EV充电器、不间断电源和其他高功率DC/DC转换器。
设计注意事项
选择的交错式架构利益最大化了更高的有效开关频率。在本节后面进步讨论了其原因。图2示出了参考设计框图。交错式结构的每个通道都包括个SiC 1200V 20A MOSFET (CMF20120D）和一个SiC 1200V 20A二极管(C4D20120D)，以实现10kW的功能提升。市售的交错式PWM控制器UCC28220来自德州仪器(TI)用于控制双通道升压转换器。控制方法是采用斜率补偿的峰值电流模式，使转换器可以工作在超过50%的占空比，每个通道的电流共享。有两个栅极PCB子板驱动每个通道的MOSFET， 一个子板为转换器控制。该设计利用现成的器件，优化了实现超快速开关的最高效率和最小化寄生参数。 由于期望高频率，电感器设计对成本和功率密度非常重要。IGBT开关损耗限制了传统系统，10KW变换器最多为20KHz到40KHz。然而，SiC  MOSFET在不牺牲系统的效率情况下，可实现高于60KHz的频率。表1比较了频率为20KHz的IGBT与60KHz和100KHz的SiC的电感器设计解决方案。通过增加频率，可以降低电感器的尺寸和成本，从而降低系统材料成本。60KHz可产生最低能量损失的电感器，成本比20kHz电感器大幅减少。在iOOkHz时，电感器的成本进步降低，同时维持整体效率优于GBT的20kHz要求。 由于超过60KHz的频率，EMI设计需要特别注意。在本设计中，  些有经验的方法被用来限制开关如此之快时的噪声影响。
双通道交错式升压转换器。图3示出了交错操作的两相和非交错操作的单相之间的差模CDM)噪声差异。由于交错操作，一阶DM噪声将发生在2倍开关频率(2fs)，可消除输人／输出波纹。因此，交错操作的EMI滤波器频率将更高，这意味着EMI滤波器需要较少的衰减，可以使用较小的EMI滤波器元件来满足该标准。这是选择交错式系统架构的原因。 减少电感器的寄生参数。当频率增加时，由于寄生振荡，漏极电压振铃可能要高得多。为了减少高频振铃，可以在电感器设计中使用扁平线圈。图4示出了使用标准圆形导线与扁平线圈导线的寄生电容的差异。扁平线圈导线可以使单层绕组有良好的磁通耦台，大大降低电感器的寄生电容。结果是减少了Vds开关节点内的振铃。 最大限度地减小PCB布局的开关回路。图5给出了该升压转换器的王要开关回路。回路1和回路3是有高dv/dt的功率转换王开关回路。尽量减少布局间距特有助于减少这些回路中的杂散电感，从而减少了开关节点振铃。在该参考设计中，电感器放在PCB板下，可以直接连接到MOSFET和输出二极管，以尽量减小电源回路1和回路3。由于SiC MOSFET是快速开关器件，栅极驱动布局的回路2也很关键。强烈建议有单独返回源(source return)的开尔文门。栅极驱动器子板可确保尽可能短的驱动电气路径。此外，栅极驱动器子板的地独立连接到MOSFET的源。  一个外部栅极电阻器用作阻尼电阻器，以尽量缩短栅极的快速上升／下降时间。然而，在EMI性能和效率之间的外部栅极电阻有一个权衡。较低的栅极电阻可以以提高效率，但却降低了栅极振铃的阻尼效应。 实验结果
10KW升压转换器的物理设计在图6中示出。需要注意MOSFET驱动板的位置。整个系统在个空间为240毫米×140毫米×210毫米内实现。该参考设计的主要规格如下：
    输人电压：200Vdc至400Vdc
    输人功率最大10kW
    输出电压450Vdc至800Vdc
    工作频率SiC MOSFET为60kHz至100kHz 效率
下面图7中所示是在200Vdc、300Vdc和350Vdc输入电压与520Vdc输出测试的SiC设计的效率数据。350Vdc输人电压和一半额定负载的最大效率达到了99.1%。图7的效率是用12欧姆栅极串联电阻测试的，实现了效率和EMI间的合理平衡。
 图8比较T40KHz使用IGBT IWD40N120H3和60KHz及100KHz使用SiC MOSFET时不同外部栅极电阻的最大效率。从测试结果看出，60KHz的1200W20A SiC MOSFET可以实现这个10kW升压转换器的最高效率，与40A/1200V IGBT相比减少损耗43%。较高的外部栅极电阻降低了效率，而且最大限度地降低了栅极信号噪声。栅极电阻差异将平衡GBT设计中SiC MOSFET的EMII性能和效率。 热性能
在图9中，比较了SiC MOSFET和Si IGBT实现方法之间的热性能。测试结果显示2×5kW满载的输入电压为300Vdc，输出电压为520Vdc。系统的30W AC风扇冷却的环境温度为25℃。用于两个开关器件的输出二极管是Cree公司的SiC肖特基二极管C4D20120D，确保了SiC MOSFET和Si IGBT公平的比较。SiC MOSFET具有更低的损耗，因此与Si IGBT相比，工作温度低了超过34%。 总结
在这篇又章中描述的10kW升压转换器参考设计清楚地说明了在高功率系统中采用SiC功率MOSFET和二极管的优势。使用SiC的固有能量效率的好处大致上显示了能量损耗的减少、小系统尺寸和重量、更少的材料成本和器件的工作温度令人印象深刻的降低。对于升压设计，以及其他电源转换电路，SiC可以帮助系统设计人员最大限度地提高性能，同时维持甚至降低整个系统的构建、安装和维护成本。越来越多的SiC器件和封装选项使其开启了商业市场之路。利用它们将广泛替代系统中几百瓦到数百干瓦的硅器件和功率模块。