WBG 如何邁向效率“1”的一步

作為一名山地自行車愛好者，我承擔(dān)了有計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)。為了讓我進(jìn)步，我必須推動自己更快地跳過障礙物，提高速度，更緊地切彎，同時(shí)保存能量以取得強(qiáng)勁的成績。雖然喜歡冒險(xiǎn)，但我遠(yuǎn)不是像 Red Bull Rampage YouTube 視頻中熟練的山地自行車騎手那樣嘗試并成功登陸夢幻般的峽谷跳躍（圖 1）的膽大妄為的人。在比賽的每個(gè)階段，我的目標(biāo)都是縮小我的實(shí)際表現(xiàn)和我的潛力之間的差距。

與山地自行車一樣，工業(yè)應(yīng)用總是隨著效率和功率的提高而變得更好。跨越這一差距的方法之一是采用寬帶隙技術(shù)。寬帶隙技術(shù)在不斷改進(jìn)，與幾年前相比，越來越多的產(chǎn)品變得可用且價(jià)格更加實(shí)惠。本博客將討論Littelfuse碳化硅 (SiC) 產(chǎn)品如何成為需要提高效率、可靠性和熱管理的應(yīng)用的理想選擇。

Littelfuse SiC MOSFET

所有Littelfuse 碳化硅 MOSFET都針對高頻、高效應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化（圖 2). 這些 SiC MOSFET 為高頻開關(guān)提供低柵極電荷、低輸出電容和低柵極電阻。這些器件還具有低漏源導(dǎo)通電阻。這些 MOSFET 的低柵極電荷和導(dǎo)通電阻轉(zhuǎn)化為較低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。Littelfuse 提供內(nèi)部設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造的 SiC MOSFET，具有低柵極電荷和輸出電容、行業(yè)領(lǐng)先的性能以及在所有溫度下的堅(jiān)固性。Littelfuse SiC MOSFET 具有多種封裝、配置以及電壓和電流等級?？梢允芤嬗谑褂?SiC-MOSFET 的典型工業(yè)應(yīng)用包括電機(jī)驅(qū)動、光伏 (PV) 太陽能逆變器、不間斷電源 (UPS) 系統(tǒng)和模塊化多電平轉(zhuǎn)換器。

圖 2：由于效率提高而受益于 SiC-MOSFET 的應(yīng)用包括電機(jī)驅(qū)動、光伏太陽能逆變器、UPS 系統(tǒng)和模塊化多電平轉(zhuǎn)換器。（來源：romaset - stock.adobe.com）

讓我們更仔細(xì)地看一個(gè)具體的例子。這是一個(gè)與 60W 輔助開關(guān)模式電源 (SMPS) 的低成本設(shè)計(jì)和高性能相關(guān)的用例。使用 1700V 級器件，例如 Littelfuse 的 SiC MOSFET，特別是他們的LSIC1MO170E0750 N 溝道 SiC MOSFET產(chǎn)品（圖 3），允許電源接受從 300V 到 1kV 的寬范圍輸入電壓。

圖 3：LSIC1MO170E0750 N 溝道 SiC MOSFET 為高頻開關(guān)應(yīng)用提供低柵極充電電阻和超低導(dǎo)通電阻。（來源：貿(mào)澤電子）

工業(yè)輔助電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

需要具有高可靠性的簡單低復(fù)雜度設(shè)計(jì)，以確保輔助電源不會成為系統(tǒng)可靠性的限制因素。單開關(guān)反激式拓?fù)涫堑凸β?DC-DC 電源轉(zhuǎn)換的最常見選擇，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單、元件數(shù)量最少且成本低。然而，為輔助電源應(yīng)用的單開關(guān)反激式拓?fù)溥x擇硅 MOSFET 存在一些挑戰(zhàn)。在反激拓?fù)渲?，功率開關(guān)器件必須具有承受總系統(tǒng)電壓的電壓能力，以解決最高輸入電源、變壓器感應(yīng)效應(yīng)、次級反射電壓和電路布置/布局效應(yīng)。

在 1000V 輸入時(shí)，功率開關(guān)器件上的峰值電壓很容易超過 1200V，這使得選擇具有適當(dāng)阻斷電壓的硅 (Si) MOSFET 具有挑戰(zhàn)性。1500V Si MOSFET 的裕量較低，會引起可靠性問題。額定 2000V 及以上的 Si MOSFET 可以提供足夠的余量。盡管如此，特定的導(dǎo)通電阻仍遠(yuǎn)高于較低電壓的 MOSFET，從而降低轉(zhuǎn)換器效率并影響熱管理。即使對于低功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，這種結(jié)果也可能需要更廣泛的冷卻解決方案。此外，>2000V 額定電壓的 Si MOSFET 的成本要高得多。應(yīng)采用雙開關(guān)反激式或其他拓?fù)鋪硎褂妙~定電壓為 1500V 及更低的 Si MOSFET。然而，雙開關(guān)反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和轉(zhuǎn)換器組件數(shù)量將顯著增加。

解決方案： 1700V DS，750mΩ SiC MOSFET

1700V SiC MOSFET 的引入為此類應(yīng)用提供了一種可能的解決方案，即通過使用簡單的單開關(guān)反激式拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)寬輸入電壓范圍。1700V 的擊穿電壓即使對于 1000V 的輸入電壓也能提供足夠的電壓余量。1700V SiC MOSFET 的特定導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于 2000V 器件和額定值以上的 Si MOSFET。

此外，與 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 的開關(guān)損耗更低。較低的開關(guān)損耗還提供了增加輔助電源開關(guān)頻率以減小變壓器尺寸和重量的選項(xiàng)。

它采用的 TO-247 封裝還具有較大的表面積和良好的導(dǎo)熱性，與低壓設(shè)備的較小外形封裝相比，熱管理更簡單。

工業(yè)電源解決方案 WBG

借助 Littelfuse 的寬帶隙 SiC MOSFET，設(shè)計(jì)人員可以以更大的余量縮小間隙，以實(shí)現(xiàn)他們的電源和效率解決方案。有一件事是肯定的?？s小這個(gè)差距比讓我的自行車跨過下一個(gè)鴻溝要容易得多。

作者

Paul Golata 于 2011 年加入 Mouser Electronics。作為一名高級技術(shù)專家，Paul 通過推動戰(zhàn)略領(lǐng)導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行以及先進(jìn)技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的整體產(chǎn)品線和營銷方向，為 Mouser 的成功做出了貢獻(xiàn)。他通過提供獨(dú)特且有價(jià)值的技術(shù)內(nèi)容，為設(shè)計(jì)工程師提供電氣工程領(lǐng)域的最新信息和趨勢，促進(jìn)并提升貿(mào)澤電子作為首選分銷商的地位。

在加入 Mouser Electronics 之前，Paul 曾在 Hughes Aircraft Company、Melles Griot、Piper Jaffray、Balzers Optics、JDSU 和 Arrow Electronics 擔(dān)任過各種制造、營銷和銷售相關(guān)職務(wù)。他擁有 DeVry 理工學(xué)院（伊利諾伊州芝加哥）的 BSEET；佩珀代因大學(xué)（加利福尼亞州馬里布）的工商管理碩士學(xué)位；來自西南浸信會神學(xué)院（德克薩斯州沃思堡）的 MDiv w/BL；以及西南浸信會神學(xué)院（德克薩斯州沃思堡）的博士學(xué)位。

審核編輯黃昊宇