【技术】SiC二极管用在高频开关电源,更高的效率,减小散热器尺寸

2019-07-01 Vincotech(世强翻译)

基于碳化硅技术的产品因未来极有可能替代硅功率元件而备受关注。这种新技术可以使产品的应用性能接近理想状态。目前,碳化硅肖特基整流器已作为标准产品在供货,这篇文章将研究如何将这项新技术应用在相关的商业模块应用领域。该研究主要基于有源功率因素校正器(APFC)中的标准升压电路或者DC-DC升压变换器。


SiC技术优势:

碳化硅技术的理论优势显著,这项技术使新的半导体产品性能表现十分接近理想状态。

•正向导通压降降低:同等面积的芯片,它静态损耗明显低于硅半导体器件。对于关注静态损耗的应用可带来更高的效率。

•高工作温度:碳化硅器件的工作温度扩展到大于225°C,在理论上更高的温度都是有可能的。

•超低的Qrr:碳化硅二极管几乎不需要反向恢复充电电荷Qrr。硬开关中自由截止二极管的Qrr导致在开关中损耗增加,这也是导致EMC/EMI的根源。

•低漏电流:碳化硅半导体的漏电流非常小,在高温情况下也不明显增加。


碳化硅技术的一大优势就是它理想的动态性能。在硬开关应用中,晶体管的开关导通损耗主要受二极管的响应速度所影响。这也是碳化硅二极管能减少晶体管的开关损耗的原因所在:二极管的反向恢复电流会加到正常的开关电流上。反向恢复电流不仅增加了损耗,而且在应用中是EMC/EMI的主要源头。下面关于升压电路的选型会采用碳化硅二极管与另一种基于标准硅技术的选型方案作比较。


二极管的反向恢复电流会加到正常的开关电流上

图1: 二极管的反向恢复电流会加到正常的开关电流上


SiC二极管与传统二极管的能耗比较

以有源升压PFC输入230AC,输出400DC,2KW的输入功率为基准进行比较。输入整流和其他阻抗并不包含在比较范围之内。


PFC升压阶段

图2:PFC升压阶段


对以下列器件进行比较:

在下列所有的测试条件下,COOIMOSFET用来作开关管,采用不同的BOOST二极管:

1)600V FRED快恢复二极管(硅技术)

2)2个300V FRED快恢复二极管(硅技术)串联

3)碳化硅二极管


这些器件作为效率基准,整体装配到Vincotech电子的FlowPFC0的功率模块之中。


Vincotech模块:V23990-P800-D30

图3:Vincotech模块:V23990-P800-D30


FlowPFC0的原理图,在这基准平台中只用1相BOOST

图4:FlowPFC0的原理图,在这基准平台中只用1相BOOST


单个超快二极管FRED

下列进行两者间比较:

1)Vincotech模块测试:

MOSFET:SIPC44N50C3

整流桥:单 Si-FRED FD120N60(实线)


2)Vincotech标准模块:

V23990-P800-D30 (仅使用1相BOOST桥)

MOSFET:SIPC44N50C3

整流桥:2个碳化硅整流桥并联

SIDC02D06SiC02 (虚线)


下图所示在单相PFC-boost应用中采用不同的二极管技术作的比较:


效率比较:单超快速二极管FRED VS 碳化硅二极管

图5:效率比较:单超快速二极管FRED VS 碳化硅二极管


工作频率从25KHZ-200KHZ,以X2递增。

在50KHZ的频点上,标准电路的损耗高达32%之多。在100KHZ,采用碳化硅二极管的电路效率高达98.7%,相较于采用硅二级管的98%。这就意味着采用标准技术的损耗大约高59%。在200KHZ,标准技术的损耗高出76%。实际上在高于100KHZ的应用上也就排除了硅技术。


2个快恢复二极管FRED串联:

下列两者间比较:

1)Vincotech标准模块:

V23990-P803-D30(仅使用1相BOOST桥)

MOSFET: SIPC44N50C3 (CoolMOS)

整流桥:2 x fast Si-FRED (实线)


2)Vincotech模块:

V23990-P800-D30 (仅使用1相BOOST桥)

MOSFET: SIPC44N50C3 (CoolMOS)

整流桥:碳化硅整流桥并联

SIDC02D06SiC02 (虚线)


效率比较:2x fast 300V FRED vs. SiC-diode

图6:效率比较:2x fast 300V FRED vs. SiC-diode


工作频率从50KHZ-400KHZ,以X2递增。


两个300V快恢复二极管串联的连接方式是第一可选方案。这个解决方案展示了它的损耗比单个硅二极管(图6)要低很多。然而在100KHZ,它的损耗也比碳化硅二极管高31%,在200KHZ,采用碳化硅二极管的损耗低39%,在400KHZ损耗低46%。


从以上验证可以看出,对于150KHZ以上的PFC升压电路应用,SiC二极管是一个好的成本效益解决方案。工作频率在20KHZ-150KHZ之间的应用,两种Si系列的二极管能很好地平衡成本效益。标准的Si二极管在>25kHz的工作频率上的优越性能早已被超越。


电磁噪声及电磁噪声抑制问题一直高度依存在应用中。连接到电网中的EMC滤波器,它的成本估计占比到总成本的20%-30%。硬开关应用中的反向恢复电流是EMC/EMI的主要来源之一。采用SIC肖特基二极管可能是降低滤波效能要求的有效方法。EMC/EMI调试经常被当作半导体选型之后独立的开发阶段。这样导致很难去比较性价比。然而在很多高速开关应用中,如果把EMI滤波器的成本计入在内,高价的Sic二极管在滤波器上能得到好的性价补偿。


总结:

在一些特殊的应用里,有如能效型的光伏逆变器,SiC二极管带来了可观的价值,已在更低频率中得到应用。很多SiC技术的优势没有应用到现代电力电源应用中,然而在高频开关电源的应用中它的技术优势相当明显:

•SiC技术提升效率的同时降低EMC/EMI;

•更高的效率,减小散热器尺寸;

•减小EMC/EMI,减少滤波器件和PCB面积;

•综合上提到的优势,将减少机械结构成本、被动器件数量、电子设备尺寸;

•减小尺寸、增加效率将增加应用产品的价值。


参考

•Stuart Hodge Jr I EEE高级会员 Cree  2004

•thinQ!™ SiC肖特基二极管:让开关电源设计者梦想成真! Christian Miesner博士:SiC产品市场经理;Roland Rupp博士:SiC项目开发管理经理;Holger Kapels:分立器件开发市场经理;Michael Krach:SiC项目经理;Ilia Zverev博士:概念架构工程经理

•新电源模块架构以提升效率在高频开关电源中的应用(>50kHz, >1kW),Temesi, Zsadany, Frisch  2005.3  Vincotech GmbH

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  • 黑外套 Lv3. 高级工程师 2018-12-19
    目前烟感产品成为大热门 能否推荐一个使用单节3v锂电池电池可使用十年的解决方案?
    • ID001回复:Silicon Labs无线收发器Si4438或Si4463搭配超低功耗EFM8SB系列MCU,以及SoC无线收发器Si1061均广泛应用在烟感产品上。
  • Wayne Lv6. 高级专家 2019-07-24
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  • TIANCAI3 Lv7. 资深专家 2019-07-24
  • 草团君 Lv3. 高级工程师 2019-07-24
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