碳化硅(SiC)功率器件

在中高壓電力電子系統(tǒng)中

有天然的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

光伏，電動(dòng)汽車，儲(chǔ)能充電等電力電子系統(tǒng)向更高電壓發(fā)展是目前行業(yè)中的趨勢(shì)。

相比于硅基高壓器件，碳化硅開關(guān)器件擁有更小的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗。電力電子系統(tǒng)需要輔助電源部分用來驅(qū)動(dòng)功率器件，為控制系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)等提供電源。額定電壓1700V的SiC MOSFET為高壓輔助電源提供了設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，成本更低的解決方案。

對(duì)于母線電壓在400V及以下的電力電子系統(tǒng)中，輔助電源常見方案為單開關(guān)管反激拓?fù)?。但在光伏、電?dòng)汽車、儲(chǔ)能充電等大功率或超大功率領(lǐng)域，母線電壓會(huì)更高。

當(dāng)母線電壓在600-1000V的范圍時(shí)，如果采用雙管反激拓?fù)?圖1 a)，即采用兩顆800V規(guī)格MOSFET分壓，會(huì)使系統(tǒng)更復(fù)雜，也會(huì)增加BOM的成本。如果繼續(xù)采用單管反激(圖1 b)方案，開關(guān)管額定電壓至少在1500V以上才能滿足耐壓需求。不僅可選擇的硅基MOSFET很少，而且由于器件需要更厚的外延層耐壓，導(dǎo)通電阻也會(huì)變得很大。

碳化硅作為寬禁帶材料，可以在高耐壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較小的導(dǎo)通電阻。因此，1700V SiC MOSFET特別適用于高母線電壓系統(tǒng)的輔助電源開關(guān)。

圖1 兩種反激電路的對(duì)比

瑞能最新推出的1700V SiC MOSFET(料號(hào)WNSC2M1K0170W)采用TO-247封裝，圖2曲線是在施加不同柵極驅(qū)動(dòng)電壓下，通態(tài)電阻與器件溫度的關(guān)系，可以看到在25℃室溫狀態(tài)下施加18V驅(qū)動(dòng)電壓的通態(tài)電阻典型值約為750mΩ。

圖2 通態(tài)電阻與器件溫度的關(guān)系

與市場(chǎng)上常見的1500V Si MOSFET相比，瑞能1700V SiC MOSFET的通態(tài)電阻(Rdson)有明顯優(yōu)勢(shì)(見表1)。在高溫情況下，Si MOSFET的通態(tài)電阻快速上升，而瑞能SiC MOSFET的通態(tài)電阻隨溫度變化較小，在150℃高溫下還可以維持在較低水平，這也為一些環(huán)境溫度比較惡劣的應(yīng)用帶來了使用上的優(yōu)勢(shì)。

表1 SiC MOSFET vs Si MOSFET通態(tài)電阻

瑞能為此1700V SiC MOSFET器件提供了參考設(shè)計(jì) (圖3)：輸入電壓范圍為200V-1000V, 輸出可以同時(shí)提供24V, 15V, -15V等多路負(fù)載，滿功率狀態(tài)下可達(dá)60W。控制方式為采用模擬IC控制器的準(zhǔn)諧振反激變換模式。此控制方式在全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較高的效率水平，圖4所示為不同輸入電壓時(shí)該參考設(shè)計(jì)的效率數(shù)據(jù)，最高效率點(diǎn)接近90%。

圖3 WNSC2M1K0170W參考設(shè)計(jì)展示板

圖4 WNSC2M1K0170W

參考設(shè)計(jì)板效率數(shù)據(jù)

與上所述1500V Si MOSFET競(jìng)品相比，WNSC2M1K0170W效率優(yōu)勢(shì)明顯。在全功率范圍內(nèi)，大概保持3%左右的效率優(yōu)勢(shì)(圖5)。而工作狀態(tài)下，較低的損耗又同時(shí)大大降低了器件的運(yùn)行溫度，提升了器件運(yùn)行的長期可靠性。圖6為WNSC2M1K0170W和1500V Si MOSFET競(jìng)品在滿載60W輸出下殼溫穩(wěn)定后的情況。

圖5 60W輸出效率對(duì)比

WNSC2M1K0170W vs 1500V Si MOSFET

圖6 60W輸出殼溫

WNSC2M1K0170W vs 1500V Si MOSFET

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瑞能最新推出的1700V SiC MOSFET(料號(hào)：WNSC2M1K0170W)采用TO-247封裝，可以有效替代反激變換器中使用的Si MOSFET器件，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少BOM成本，提升效率和輸出功率的目的。

WNSC2M1K0170W參考設(shè)計(jì)板可以在200-1000V寬范圍輸入電壓內(nèi)實(shí)現(xiàn)多路負(fù)載輸出共60W功率，并且最高效率點(diǎn)接近90%。

審核編輯：湯梓紅