使用 SiC 功率半导体提升高性能开关转换器的效率

来源：Digikey
作者： Jens Wallmann

尽管硅 (Si) 器件相对成熟，但碳化硅 (SiC) 功率器件仍有望降低产品成本并提高效率。然而，有些设计人员可能仍然认为 SiC 半导体相当昂贵且难以控制。

下面我们以 Microchip Technology 的 SiC 器件为例，从 SiC 技术的基本优势入手，为您打消这些顾虑。随后，我们将探讨 SiC 功率半导体，并展示有助于管理开发过程的仿真工具、可配置数字栅极驱动器以及参考设计。

体积小、重量轻、效率高且经济实惠

工业厂房、电动汽车 (EV) 或可再生能源中的许多高性能电气应用都必须不断提高能源转换效率、节约资源并降低成本。与成熟的硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 相比，SiC MOSFET 具有一些突出的优势，系统电压高达 2000 V，功率水平超过 3 kW。

凭借开关边沿陡峭、过冲较少的特点，SiC 半导体可实现极低的开关损耗，在 30 kHz 的开关频率下，与 IGBT 相比，开关损耗可降低多达 70%（图 1）。这可以提高系统效率并降低电磁干扰 (EMI)，从而最大限度地减少对功率因数校正 (PFC) 和线路滤波器的需求。


图 1：与 IGBT（上）相比，SiC MOSFET（下）在 30 kHz 开关频率下可使开关损耗降低 70% 以上。（图片来源：Microchip Technology）

在高开关频率、高电压和低电流的条件下工作需要使用体积更小的电感和电容元器件。这可以减轻重量、减小线径并降低 BOM 成本。与硅晶体管相比，SiC 半导体在高温条件下更稳定，散热性能更好，允许使用更小的散热器以尽可能缩小体积。

由于雪崩能量较高，SiC MOSFET 在非钳位感性开关 (UIS) 用例中的表现十分稳定。总体而言，SiC MOSFET 非常可靠，可实现高功率密度并耐受瞬态短路。

速度快、低损耗的 SiC 肖特基势垒二极管

对于希望提高系统效率、缩小外形尺寸和提高工作温度的设计人员而言，Microchip Technology 的 SiC 半导体提供了一种创新选择，适合光伏逆变器、电池充电、储能、电机驱动器、不间断电源 (UPS)、辅助电源和开关模式电源 (SMPS) 等应用。

Microchip 的 SiC 肖特基势垒二极管 (SBD) 设计具有平衡的浪涌电流、正向电压、热阻、热容、低反向电流和低开关损耗值。

SBD 还提供分立设计，例如采用共阴极和 TO-247-3 封装结构的 MSC050SDA070BCT 双 SBD，可处理 700 V 的重复反向恢复电压 (VRRM) 和 88 A 的正向电流 (IF)。MSC50DC70HJ 全桥模块采用螺纹端子，可处理 700 V 电压和 50 A 电流，而 MSCDC50X1201AG 三相桥模块则专为通孔焊接应用而设计。

坚固耐用的高电压、高电流 SiC MOSFET

新型 SiC MOSFET 具有较高的 UIS 能力，约为 10 至 25 J/cm2。典型的 N 沟道单晶体管（如 MSC080SMA120B4）采用 TO-247-4 封装结构，可在最大 1200 V 电压下切换 37 A 电流，并具有独立的开尔文源源连接，可实现无干扰栅极控制。

SiC MOSFET 电源模块非常适合两位数和三位数千瓦范围内的开关转换器应用。例如，MSCSM120AM02CT6LIAG 半桥模块采用螺纹端子，漏感极低。该器件包含两个 N 沟道 MOSFET，可以安全地切换高达 1200 V 的负载电路电压和高达 947 A 的连续电流。

MSCSM120TAM31CT3AG 三相半桥模块可以处理高达 1200 V 的漏极至源极电压 (VDSS)、高达 89 A 的开关电流 (ID) 以及 395 W 的最大功率耗散 (PD)。集成式 SBD 续流二极管具有零反向恢复、零正向恢复和不受温度影响的开关特点。

数字可编程栅极驱动器

Microchip 的加速 SiC 开发套件 (ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01) 内含操作低电感 SiC 模块所需的全部硬件和软件组件。该套件提供一块即用型数字双通道 SiC 栅极驱动器插件板，专用于控制 1200 V SiC 模块。此栅极驱动器可以使用 Microchip 的智能配置工具 (ICT) 和编程适配器进行编程，以实现最佳性能。

驱动器板使用合适的适配器卡直接插入 SiC 模块，形成紧凑的半桥单元，可实现多级开/关操作（图 2）。栅极驱动器支持先进的开关控制，具有强大的短路保护功能，并且完全可由软件配置，包括 +/- Vgs 栅极电压。


图 2：在 ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01 中，一个适配器卡将 SiC 电源模块连接到栅极驱动器板，形成紧凑的半桥电源单元。（图片来源：Microchip Technology）

快速成功开发

轻松、快速、可靠地为您的应用设计 SiC 半导体的另一种方法是使用 Microchip 的 MPLAB SiC 电源仿真器。该电路仿真器基于分段线性电路仿真 (PLECS)，可帮助设计人员在构建原型之前评估 SiC 器件。其使用常见电源转换器拓扑（例如 DC/AC、AC/DC 和 DC/DC 应用）的实验室测试数据来计算功率损耗并估算 SiC 器件的结温。

在线 MPLAB SiC 电源仿真器提供电路拓扑以供选择，可指导您完成元器件选择、定义工作参数，并模拟电压、电流、功率耗散和温度的信号曲线（图 3）。


图 3：左侧为在线 MPLAB SiC 电源仿真器的电路和系统参数，右侧为模拟信号曲线。此处显示的是 Vienna 三相桥式电路的电压和电流曲线。（图片来源：Microchip Technology）

Microchip 提供许多基于 SiC 的参考设计文档（包括设计文件），可帮助工程师快速上手。其中包括用于电动汽车和工业应用的电源、充电器和电能存储系统：

· 用于电动汽车充电的 11 kW 双向 DC/DC 桥
· 30 kW Vienna 三相 PFC
· 150 kVA 三相 SiC 电源叠接式参考设计

结语

Microchip 的 SiC 功率半导体可以在两、三千瓦级开关转换器应用中提升系统性能，并实现紧凑、高功率密度的设计。此外，设计人员还可以利用配套的仿真工具、可配置的数字栅极驱动器和丰富的参考设计，更快地成功完成自己的电路设计。