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在双向逆变器应用中采用 CoolSiC TM MOSFET 的优势

关键词:双向逆变器 CoolSiC TM MOSFET 碳化硅

时间:2021-09-17 14:30:47      来源:网络

双向转换器正在越来越多地用于太阳能和电动汽车充电等领域,在这些应用中,能量转换、存储和恢复效率非常关键。本文讨论了碳化硅半导体在降低转换器损耗,以及再成本、重量和尺寸等方面的优势。

随着业界不断转向可再生能源,人们越来越关注发电和储能技术,目的是更充分利用风能和太阳能等间歇性的能源供应。电池是常见的储能解决方案,在电动汽车市场技术进步的不断驱动下,储能成本正在下降。这为从家庭到公用事业的所有不同规模储能应用开辟了道路。随着能源供应模式转向可再生,传统的矿物燃料发电在减少,通过使用分布式存储将交流电通过逆变器回馈到电网进行“调峰”可以发挥其优势,从而使发电更具成本效益,电网也更加可靠。

为了实现这一目标,电池需要能够以廉价或方便的能源充电,然后放电到本地负载或“馈入”返回到公用电网。AC-DC充电器和DC-AC逆变器都已经是非常成熟的产品,但如果能有效地把它们结合起来,就可以更有效地节省成本。因此,人们对“双向转换器”产生了浓厚的兴趣,而其中一个大批量应用市场将是具备本地可再生能源和储能设备(可能是电动汽车电池)的家庭。

双向转换器要求

可再生能源市场中的一个主要问题是最大限度地利用太阳能或风能,因此必须将功率转换阶段的任何损失保持在最低限度,这也是缩短资本回报时间的基本要求。对于任何应用中的功率处理而言,这一点都是正确的,因此多年来,功率转换拓扑架构不断朝着更高效率的方向发展,现在单级效率已达到 99% 或更高。然而,对于双向转换器,必须在正向和反向能量流动的情况下都保持高效率,这是一个更加复杂的问题。幸运的是,一个驱动提高效率的因素同时也促进了能量双向流动:即在“第三象限”操作 中使用 MOSFET 作为同步整流器。如图 1 所示,为一个可用作电池充电器和馈入式逆变器的典型双向转换器示意图。 MOSFET 桥可用作整流器、逆变器或 DC-DC转换器,具体取决于驱动装置。


图 1:桥式排列 MOSFET 适用于双向功率转换器。

AC-DC 级还必须具有功率因数校正 (PFC) 功能,这最好通过双向“图腾柱 PFC”拓扑在中等功率水平下实现,其中 MOSFET 在 AC-DC 模式下兼作线路 AC 整流器和升压开关,以及在 DC-AC 模式下的逆变器开关。 MOSFET 可以改变功能的这种特性取决于它不仅能够以“正常”模式从漏极到源极导通,而且还能在栅极驱动控制下,以低损耗从源极到漏极反向导通。MOSFET 还具有从漏极到源极的寄生体二极管,这也可能是其一个优势。一些需要反向导通的电路自然会“换向”以正向偏压加至该二极管,从而在开关周期的适当阶段将能量传递到输出 。然而,二极管并不理想,并且在导通时会在其结中存储大量电荷,会在每个周期的反向偏置时会释放这些电荷 。这会导致“恢复电流”,从而导致损耗增大、效率降低和 EMI 增加。与硅整流器 相比,该二极管还具有高正向压降,导致额外损耗。如果具备很小的延迟,开启 MOSFET 通道并旁路二极管,在关闭桥臂中的互补 MOSFET 后二极管正向传导的额外耗散可以最小化。

移相全桥(PSFB) 或“LLC”配置版本的双向转换器能够以零电压开关 (ZVS) 运行,以获得最高效率,在这种模式下,体二极管的反向恢复并不重要,因为施加的反向电压会谐振上升。但是,在某些情况下,转换器可能会暂时进入“硬”开关模式,例如在启动、关闭或负载阶跃等场景下,在此期间,电流在恢复时存在高电压,从而可能导致出现破坏性应力。如果相关 MOSFET通道在导通期间未完成恢复,也可能导致器件故障。

如果双向转换器中的 MOSFET 开关具有过高的输出电荷 QOSS,也会出现一些问题。在硬开关转换器中,开关转换期间产生的电流会在转换器的初级电路内循环,会导致损耗。输出电容 Coss 也随漏源电压变化很大,从而出现高 Qoss。如果这些是软开关谐振转换器中要去除的主要电荷,那么在最坏情况下很难保持 ZVS 和高效率。高侧和低侧开关之间的最小死区时间作为 Qoss 的函数也必须增加 ,导致高开关频率下较为明显的占空比损耗。在具备较低 Qoss情况下,可以微调电路以获得更高的效率。

因此,出于所有上述 原因,稳定和较低的输出电容、较低的 QOSS 和最小体二极管反向恢复能量及时间对于实现更高效率和可靠性至关重要。在诸如图腾柱 PFC 等硬开关拓扑架构中,目前的硅超级结 MOSFET 技术由于其产生的体二极管,对于具体电路来说根本不可行。

SiC MOSFET 是更好的解决方案

宽带隙 碳化硅 (SiC) MOSFET 现在已经是主流技术,与硅器件相比,它们具有更好的品质因数 (FOM),可以提升高频操作下的效率。它们还具有一系列其它优势,例如能够实现固有的高温操作、低栅极电荷、导通电阻随温度提升较低、以及更高稳健性。对于本文讨论的主要话题,重要的是,它们的体二极管具有低得多的恢复电荷,并且输出电容的变化远小于漏源电压下的硅 MOSFET。此外,对于相同的 RDSON,SiC MOSFET 的 QOSS 约为硅超级结 MOSFET 的六分之一。

我们可以使用英飞凌基于硅的 600V CoolMOSTM CFD7 超级结 MOSFET  (IPW60R070CFD7) 和650V CoolSiCTM SiC MOSFET(IMZA65R048M1H)  作个比较。它们都是 TO-247 封装器件,在 25°C 时具有相似的电压和导通电阻额定值。两者的总体二极管反向恢复波形如图 2 所示,总反向恢复电荷记为 QRR。对于 CoolMOSTM 器件,QRR通常为 570 nC,而对于 CoolSiCTM MOSFET,在两倍正向电流和 10 倍dIF/dt 电流变化率时QRR仅为 125nC。


图 2:MOSFET 体二极管反向恢复波形。SiC 的 QRR 约为 Si MOSFET 值的 20%。

图 3 所示为两种 MOSFET 技术的输出电容变化,其中显示了一系列 CoolSiCTM器件与 CoolMOSTM CFD7 超级结 MOSFET 的比较。碳化硅器件在低电压下表现出较低的 Coss,两种类型在高电压下都较低。但请注意,IMZA65R048M1H CoolSiCTM MOSFET 在 饱和电压和完全阻断电压之间变化约 10 倍,而超级结 MOSFET 变化约 8000 倍。虽然低 Coss 有利于降低充电和放电电流引起的损耗,但对于 SiC 在高电压下 Coss的非零值是非常有帮助的,它能够减少使用栅极电阻器降低开关速度的需求,以将漏源电压保持在建议的最大值降额范围内 。否则,对于 Si 器件,需要更高值的电阻器来限制峰值漏极电压,从而导致可控性降低。


图 3:SiC 器件的输出电容随漏极电压的变化要小很多。

参考设计展现高效率

为了说明 SiC MOSFET 在双向转换器中的优势,英飞凌展示了一个 3.3kW 图腾柱 PFC 级(EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC)  评估板[1],它能够实现 73W/in3 (4.7 W/cm3) 的功率密度,在峰值230VAC 输入和 400VDC 输出时的效率为 99.1% (见图 4)。该评估板在逆变器模式运行时,50 Hz 下产生 230 VAC,也能够达到 98.8% 以上的峰值效率。该评估板为全数字控制,采用了英飞凌 XMCTM 系列微控制器。


图 4:采用英飞凌 CoolSiCTM MOSFET 技术的高效率双向 AC-DC/DC-AC 转换器。

结论

碳化硅 MOSFET 是硅超结 MOSFET 的自然演变,适用于具有高开关频率的中高功率应用 。碳化硅 MOSFET不仅可以显著提高效率,还可以降低相关组件的尺寸和成本,尤其是磁性元件。这进 而可以极大地节省最终产品的成本、尺寸和重量,并降低能源费用。在双向转换器中,SiC 器件能够通过 比传统解决方案更高的效率执行 所有高压开关功能,并且凭借其卓越的体二极管特性,可以使图腾柱 PFC 等硬开关拓扑架构变得更加 可行,且更具有成本效益。

英飞凌能够以分立和模块形式提供一系列CoolSiC™ MOSFETs,额定电压范围可从 650V 至 1700V,导通电阻可低至2mΩ。使用英飞凌的无芯变压器技术,这些器件可进一步与系列EiceDRIVERTM  栅极驱动器一起在非隔离和隔离变体中使用,可用于低侧和高侧驱动器。为了实现完整的解决方案,英飞凌还提供用于数字控制的电流感测 IC 和微控制器。

有关650V CoolSiCTM MOSFET 产品和相关电路板的更多信息,请访问 www.infineon.com/coolsic-mosfet-discretes

参考文献

[1]  采用650V CoolSiCTM 和 XMCTM  的3300W CCM 双向图腾柱,英飞凌应用笔记: AN_1911_PL52_1912_141352

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