使用寬帶隙半導(dǎo)體材料(如碳化硅或氮化鎵)制造的電源開關(guān)現(xiàn)在在電力變換器中得到了廣泛應(yīng)用。SiC晶體管的高速開關(guān)特性以及低反向恢復(fù)電荷，或氮化鎵HEMT的零反向恢復(fù)電荷，使設(shè)計(jì)師能夠制造比基于硅的替代品更小且高效的電力系統(tǒng)。

然而，盡管氮化鎵和碳化硅有如此多的優(yōu)勢，這些開關(guān)類型與經(jīng)過驗(yàn)證的硅MOSFET或IGBT相比仍顯得有些陌生。Future Electronics開發(fā)的GaNdalf II(2-kW無橋柱狀PFC階段)和GaNSTar(500-W LLC變換器)等參考和演示設(shè)計(jì)可以為首次接觸基于氮化鎵和碳化硅電源開關(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)師提供有用的藍(lán)圖。

現(xiàn)在，F(xiàn)uture Electronics位于倫敦的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了一種基于SiC MOSFET的設(shè)計(jì)，適用于3-kW LLC電源，將標(biāo)稱390-VDC輸入降至49-VDC標(biāo)稱輸出。

在SiC MOSFET以250 kHz的高速開關(guān)下，這種新的SoniC演示設(shè)計(jì)板與基于3-kW硅MOSFET設(shè)計(jì)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)約30%的總體空間節(jié)省，而后者的最大開關(guān)頻率通常不超過100 kHz。SoniC板的快速開關(guān)性能使得可以使用更小的磁性元件和電容器。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)原則是使用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成組件，或者在變壓器的情況下，采用任何中小型OEM可以低成本生產(chǎn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)還避免了采用不常規(guī)的磁性組件組裝方法，例如次級的銅帶或平面磁性設(shè)計(jì)和構(gòu)造。

通過SoniC板，F(xiàn)uture Electronics開發(fā)了一種成功的架構(gòu)，在滿載時(shí)實(shí)現(xiàn)97.4%的峰值效率。

針對大眾市場的3-kW LLC變換器設(shè)計(jì)

該板的物料清單(BOM)由OEM可以通過分銷渠道輕松獲得的組件組成：

· 四個(gè)onsemi NTH4L045N065SC1650-V SiC MOSFET開關(guān)，位于初級側(cè)，其在15 V門源電壓下的典型導(dǎo)通電阻為45 mΩ。

· 四個(gè)onsemi NCD57000隔離高電流門驅(qū)動器，位于初級側(cè)。

· 一個(gè)繞制的線圈和核心變壓器以及獨(dú)立的繞制線圈和核心諧振電感。

· 一個(gè)現(xiàn)成的onsemi NCP4390 LLC控制器——一種用于具有同步整流的LLC諧振變換器的先進(jìn)脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制器，采用充電控制技術(shù)。

· 八個(gè)onsemi FDMT80080DC 80-V MOSFET，由四個(gè)onsemi NCP51530半橋驅(qū)動器和四個(gè)NCP4308同步整流控制器驅(qū)動。

使用250 kHz開關(guān)的SiC MOSFET使得比基于硅MOSFET的3-kW變換器可以使用更小的諧振電感和變壓器，從而比全硅設(shè)計(jì)節(jié)省約30%的空間(見圖2)。

在實(shí)現(xiàn)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)以產(chǎn)生空間和重量節(jié)省時(shí)，設(shè)計(jì)師必須在SiC和GaN之間進(jìn)行選擇。在SoniC設(shè)計(jì)中，F(xiàn)uture Electronics的工程師選擇了在初級側(cè)使用SiC，因?yàn)槎嗉以O(shè)備制造商提供的高壓SiC產(chǎn)品廣泛可用。

在今天的SiC生產(chǎn)技術(shù)日益成熟和質(zhì)量提高的標(biāo)志中，對變換器初級側(cè)的測試顯示出無故障性能。在軟開關(guān)拓?fù)渲校琽nsemi的SiC MOSFET及其驅(qū)動器在250 kHz下保持穩(wěn)定和可靠的操作(見圖3)。

全橋配置在次級側(cè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作

引入SiC功率開關(guān)并未給實(shí)現(xiàn)小型高功率LLC DC/DC變換器帶來任何困難。但要實(shí)現(xiàn)30%的體積減少，系統(tǒng)需要在高頻下運(yùn)行——在滿負(fù)載下為250 kHz，并且在啟動時(shí)可能高達(dá)690 kHz，在輕負(fù)載操作中可達(dá)500 kHz。支持高達(dá)690 kHz開關(guān)頻率的onsemi NCP4390 LLC電源控制器是該應(yīng)用的理想選擇。它是LLC諧振變換器的PFM控制器，具有同步整流功能。它采用電流模式控制技術(shù)，這提供了比電壓模式控制更好的功率級控制到輸出傳遞函數(shù)，簡化了反饋回路的設(shè)計(jì)。

然而，在SoniC板設(shè)計(jì)的早期迭代中，高開關(guān)頻率在變壓器中引發(fā)了一些問題。

SoniC板的架構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的LLC變換器實(shí)現(xiàn)，使得OEM可以大規(guī)模生產(chǎn)。這種架構(gòu)通常會在次級側(cè)使用半橋電路(或中心抽頭變壓器)以優(yōu)化DC/DC階段效率。

但是，嘗試在次級側(cè)使用中心抽頭變壓器配置導(dǎo)致了過多的振鈴現(xiàn)象，電源開關(guān)的漏極-源極電壓開關(guān)波形的峰值電壓超過了原硅MOSFET的150 V額定值。價(jià)格、可獲得性和效率問題使得使用額定電壓超過150 V的MOSFET變得不可行。

然而，當(dāng)設(shè)計(jì)修改為在次級側(cè)使用全橋配置時(shí)，振鈴問題消失了。這使得可以使用80-V硅MOSFET，其導(dǎo)通電阻低于150-V MOSFET，從而有潛力減少導(dǎo)通損耗。

實(shí)際上，在測試中，SoniC板在滿載下的最低效率達(dá)到了97%，在10%到100%的負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到了93%(見圖4)。

由于SoniC板的模塊化和靈活設(shè)計(jì)，F(xiàn)uture Electronics設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在不更改變壓器設(shè)計(jì)的情況下，改變次級側(cè)的全橋?qū)崿F(xiàn)。由于次級側(cè)以全橋模式運(yùn)行，由于硅MOSFET的低導(dǎo)通電阻，很難在3 kW下實(shí)現(xiàn)同步操作，而這是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率目標(biāo)所必需的特性。盡管如此，在不連續(xù)導(dǎo)電模式下，SoniC板在LLC變換器的共振頻率以下達(dá)成了有效操作。這適合于各種高功率應(yīng)用。

但是，如果需要，設(shè)計(jì)可以修改以使LLC變換器在共振頻率以上的連續(xù)導(dǎo)電模式下運(yùn)行，以支持超過390 V的輸入電壓。有兩個(gè)選項(xiàng)：

· 將NCP4390靠近次級側(cè)硅MOSFET，以減少干擾并改善漏源電壓檢測。NCP4390具有設(shè)置，允許設(shè)計(jì)師定義最小死區(qū)，支持更長的MOSFET反向恢復(fù)時(shí)間。

· 將NCP4308替換為支持更長死區(qū)操作的替代同步整流控制器，例如onsemi NCP4306或STMicroelectronics SRK2001。

新組件可能會增強(qiáng)SoniC變換器的設(shè)計(jì)

Future Electronics提供的SoniC板展示了onsemi SiC MOSFET在高功率LLC變換器中以高開關(guān)頻率運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定高效操作。新型更先進(jìn)組件的出現(xiàn)為進(jìn)一步提升SoniC板的高性能提供了潛力。

一個(gè)選項(xiàng)是升級次級側(cè)使用的硅MOSFET。原始SoniC板使用的是開發(fā)時(shí)可用的最佳onsemi硅MOSFET，但此后已被基于onsemi新工藝技術(shù)開發(fā)的T10家族取代。80-V NTMFWS1D5N08X MOSFET適合在SoniC的全橋配置中使用。使用這個(gè)T10 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)在于，由于其較低的反向恢復(fù)電荷，開關(guān)性能得以改善。導(dǎo)通電阻也低于onsemi MOSFET的前幾代，預(yù)示著系統(tǒng)效率的提高。

展望未來，第二個(gè)選項(xiàng)是研究在次級側(cè)使用150-V GaN FET的可能性，形成半橋配置。這些GaN開關(guān)最顯著的特點(diǎn)是沒有反向恢復(fù)電荷;基于這些器件的半橋電路將不會出現(xiàn)使用150-V硅MOSFET的半橋配置中的振鈴現(xiàn)象。

今天，這種低壓GaN開關(guān)的供應(yīng)仍然有限，同時(shí)單位成本和導(dǎo)通電阻均高于其硅對應(yīng)物。GaN FET的封裝樣式和尺寸選擇也遠(yuǎn)小于硅MOSFET。

但是，GaN器件制造商的生產(chǎn)路線圖表明，供應(yīng)情況將顯著改善，設(shè)計(jì)工程師可以選擇的產(chǎn)品組合預(yù)計(jì)將在未來幾個(gè)月內(nèi)擴(kuò)大。

這些對Future Electronics設(shè)計(jì)藍(lán)圖的修改選項(xiàng)為提高效率和降低BOM成本提供了一定的希望。然而，即使在目前的形式下，SoniC板也明確證明，在高功率LLC DC/DC變換器階段使用SiC MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的30%空間節(jié)省，同時(shí)在不使用任何外來組件或非標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涞那闆r下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和高效率。