工業設備輔助電源驅動用的SiC電源解決方案

前言

包括光伏逆變器、電氣驅動裝置、UPS及HVDC在內的功率轉換系統，需要柵極驅動器、微控制器、顯示器、傳感器及風扇來使系統正常運行。這類產品需要能夠提供12V或24V低電壓電源的輔助電源。輔助電源則需要輸入通常工業設備所使用的三相400/480V AC電源、或太陽能光伏逆變器所使用的高電壓DC電源才能工作。本文將介紹融入了ROHM的SiC技術優勢且設計簡單、性價比高的電源解決方案。

小型輔助電源用SiC MOSFET

圖1是輔助電源所用的普通電路。在某些輸入電壓條件下，MOSFET的最高耐壓需要達到1300V。為了確保安全，需要一定的電壓余量，因此一般來講至少需要使用額定電壓1500V的產品。當然也可以使用具有同樣絕緣擊穿電壓的Si MOSFET，但損耗將變大，故而需要昂貴且厚重的散熱器。

圖1. 普通反激式轉換器方式的輔助電源拓撲

另外還有使用更復雜的拓撲結構（雙端反激式轉換器方式、低電壓器件串聯等）而不使用1500V MOSFET的做法。但是，這些做法不僅會增加設計難度，還會使部件數量增加。

如果使用特定導通電阻僅為1500V Si-MOSFET的1/2（參見圖2）的1700V SiC-MOSFET，則輔助電源的設計者們將能夠使用簡單的單端反激式轉換器的拓撲，從而獲得小巧的身材和良好的性能。ROHM擁有完全塑封的TO-3PFM封裝以及表面貼裝型封裝（TO-268-2L）技術，并提供適用于此類應用的高耐壓SiC-MOSFET。這些產品的特點是分別可確保5mm和5.45m的爬電距離。

圖2. 特定導通電阻條件下的Si和SiC MOSFET性能比較

極具性價比且實現SiC單端反激式拓撲結構的控制IC

采用了SiC-MOSFET的反激式轉換器的輔助電源解決方案，因采用了ROHM的控制IC而更具魅力和吸引力。這種控制IC的設計利用反激式轉換器安全可靠地驅動SiC-MOSFET，而且不會因柵極驅動器IC而變得復雜。

ROHM針對目前可入手的幾款SiC-MOSFET，開發出特別滿足各元器件柵極驅動所需條件的準諧振AC/DC轉換器控制IC“BD768xFJ”并已實施量產。這款控制IC與ROHM的1700V耐壓SiC-MOSFET相結合，可以最大限度地發揮產品的效率與性能。BD768xFJ不僅可控制所有的反激式電路，還能夠以適當的柵極電壓驅動SiC-MOSFET，從而保證最佳性能。此外，還可通過柵極箝位功能和過載保護功能來保護SiC-MOSFET。

BD768xFJ這款控制IC，采用小型SOP8-J8封裝，具備電流檢測用的外置分流電阻和過負載、輸入欠壓、輸出過電壓保護等保護功能以及軟啟動等功能。搭載了準諧振開關，以在全部工作范圍內將EMI抑制在最低水平，并降低開關損耗。另外，為了優化在低負載范圍的工作，控制器還安裝了突發模式工作和降頻功能。

下圖中是采用了BD768xFJ控制IC和ROHM生產的1700V耐壓SiC-MOSFET的輔助電源的主要電路，簡單而又高性能。

圖3. 使用了BD768xFJ控制IC和1700V耐壓SiC-MOSFET的輔助電源電路

使用了SiC-MOSFET的輔助電源的性能

ROHM為了便于對使用了SiC-MOSFET的簡單輔助電源的性能進行評估而專門開發了評估板（參見圖4）。這款評估板為了在準諧振開關AC/DC轉換器中驅動1700V耐壓SiC-MOSFET“SCT2H12NZ”而使用了BD768xFJ-LB。準諧振工作有助于將開關損耗控制在最低并抑制EMI。電流檢測通過外置的電阻器進行。另外，通過使用輕負載時的突發模式工作和降頻功能，還可實現節能化與高效化。

圖4. 使用了SiC-MOSFET的輔助電源單元用評估板

SiC-MOSFET的開關波形如圖5所示。通過不同輸出負載的波形可以看出在接通SiC-MOSFET時諧振漏源電壓如何變化。采用準諧振工作，可最大限度地降低開關損耗和EMI。輕負載時（Pout = 5W時，左圖）的突發工作模式結束后，轉為準諧振工作模式。通過跳過很多波谷來控制頻率。當輸出負載増加（Pout = 20W時，中圖）時，波谷數量減少，頻率上升。當接近規定的最大輸出負載（在這種情況下Pout = 40W，右圖）時，將只有一個波谷。此時，開關頻率達到最大值120kHz。

另外，為了延長一次側的開關導通時間，可以稍微降低開關頻率并提高輸出功率的要求。這樣，一次側電流峰值增加，傳輸的能量也增加（Pout = 40W時）。當超過最大輸出功率時，過電流保護功能工作并阻止開關動作，以防止系統過熱。

圖5. 準諧振工作時的SiC-MOSFET開關波形

首先，評估板因有兩個工作點而以電流不連續模式（DCM）工作。然后，在最后一個工作點（40W）時正好達到電流臨界模式（BCM）。根據不同的輸入電壓，DCM和BCM在不同的輸出功率進行切換。

圖6左側是對于不同的輸入電壓，在最大40W的負載范圍輸出12V電壓時的效率。如圖6右側所示，通過測量可知SiC-MOSFET的外殼溫度保持在90℃以下。SiC-MOSFET的最大容許結溫為175℃。芯片-外殼間的熱阻遠遠低于外殼-環境間的熱阻，因此只要是結溫低于上限值的外殼即可以說是安全的。這表明該評估板即使在高達40W的輸出功率條件下，無需散熱器也可工作。另外，如果對SiC-MOSFET增加散熱器來冷卻輸出整流二極管，則可以實現更高的輸出功率。

圖6. 使用了SiC-MOSFET的輔助電源單元評估

這里給出的是各DC輸入電壓的測量值，利用400 / 480V的三相AC電源也可運行評估板。PCB上安裝了整流所需的二極管電橋。

利用SiC-MOSFET技術，可實現小型化并提高系統效率、可靠性及簡潔性

在需要幾十瓦的簡單且性價比高的三相輸入用單端反激式解決方案和超過400V的DC輸入電壓條件下，Si-MOSFET并不適用。因為大電壓Si功率MOSFET的性能較低。另外，使用雙端反激式或堆疊式MOSFET等設計復雜結構的輔助電源，是非常費時費力的。這部分精力應該用在主電源系統的設計上。

利用1700V SiC-MOSFET的優異性能和BD768xFJ控制IC，不僅能夠設計三相系統用或高DC輸入電壓用的簡單輔助電源，而且還可以發揮出卓越的性能。 利用基于SiC-MOSFET的技術，設計人員可提高產品的效率、簡潔性、可靠性并實現小型化。1700V SiC-MOSFET在性能方面的優勢可以與使用了Si-MOSFET的解決方案系統的成本相匹敵，比如可削減散熱器、線圈等昂貴部件的成本。經過優化的控制IC可安全地驅動SiC-MOSFET，是能夠減輕設計負擔并將系統產品投入市場的周期最短化的極具突破性的解決方案。

ROHM的官網公開了更詳細的電路圖、尺寸指南、部件清單以及更詳細的應用說明。另外，還可聯系ROHM獲取專為輔助電源單元而優化了控制IC和SiC-MOSFET的評估板。

【關于ROHM（羅姆）】

ROHM成立于1958年，由最初的主要產品-電阻器的生產開始，歷經半個多世紀的發展，已成為全球知名的半導體廠商。ROHM的企業理念是：“我們始終將產品質量放在第一位。無論遇到多大的困難，都將為國內外用戶源源不斷地提供大量優質產品，并為文化的進步與提高作出貢獻”。

ROHM的生產、銷售、研發網絡遍及世界各地。產品涉及多個領域，其中包括IC、分立式元器件、光學元器件、無源元器件、功率元器件、模塊等。在世界電子行業中，羅姆的眾多高品質產品得到了市場的許可和贊許，成為系統IC和 最新半導體技術方面首屈一指的主導企業。