半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器中Si和SiC MOSFET的比較

高效率是電力電子領(lǐng)域的重要參數(shù)之一，也是最具挑戰(zhàn)性的參數(shù)之一。寬帶交換機(jī)可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但它們會(huì)增加系統(tǒng)成本。這就是 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的用武之地。與其他類型的轉(zhuǎn)換器相比，這種類型的轉(zhuǎn)換器具有更多的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗峁┝烁唠姎飧綦x、高功率密度、低 EMI 和高效率。此外，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可用于各種應(yīng)用，如消費(fèi)電子產(chǎn)品，以及可再生能源應(yīng)用，如光伏、風(fēng)能、水力和地?zé)岬?。本文提供了?3KW 中建模的 Si 和 SiC MOSFET 的詳細(xì)比較具有寬輸入電壓范圍的半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器。

結(jié)果表明，對(duì)于高頻功率應(yīng)用，SiC MOSFET 的效率高于 Si MOSFET。由于其低成本優(yōu)勢(shì)，Si MOSFET 在低壓和低功率應(yīng)用中仍然是首選。

半橋LLC諧振變換器的工作

圖片來(lái)源：Adragna、Claudio & Simone、s & Spini、Claudio。（2008 年）?；谥C振回路電流檢查的 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法.. 1361 – 1367. 10.1109/APEC.2008.4522901。

上圖顯示了半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的電路。它有兩個(gè) MOSFET Q1 和 Q2，它們?cè)陬l率 fs 下以 180o 異相開(kāi)啟和關(guān)閉。每個(gè) MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間相同，略短于開(kāi)關(guān)周期 Ts = 1/fs 的 50%。事實(shí)上，在任一 MOSFET 的關(guān)斷和另一個(gè) MOSFET 的導(dǎo)通之間也插入了一個(gè)小的死區(qū)時(shí)間 Td。該死區(qū)時(shí)間對(duì)于轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行至關(guān)重要，它確保 Q1 和 Q2 不會(huì)交叉?zhèn)鲗?dǎo)并啟用兩個(gè) MOSFET 的軟開(kāi)關(guān)（即開(kāi)啟時(shí)的零電壓開(kāi)關(guān) ZVS）。

諧振回路包括三個(gè)電抗元件（Cr、Ls 和 Lp），因此具有兩個(gè)諧振頻率。一個(gè)與次級(jí)繞組傳導(dǎo)有關(guān)：只有 Ls 處于活動(dòng)狀態(tài)，而 Lp 消失，因?yàn)樗鼉啥擞泻愣妷?，從次?jí)側(cè)反射回來(lái)；它的價(jià)值是：

另一個(gè)諧振頻率對(duì)應(yīng)于次級(jí)繞組開(kāi)路的情況。因?yàn)?Ls 和 Lp 實(shí)際上串聯(lián)，所以儲(chǔ)能電路從 LLC 變?yōu)?LC：

頻率f R1大于f R2。fR1 和 fR2 之間的間隔取決于 Lp 與 Ls 的比率：它越大，兩個(gè)頻率之間的距離越遠(yuǎn)，反之亦然。

半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的功率損耗

The conduction power losses on the primary side are situated in the power MOSFETs, the resonant capacitor Cr, and the transformer. On the secondary side, losses are situated in the secondary rectifiers, and also in the output capacitors.

Switching losses are basically found in the power MOSFET. The value of the switched current at heavy load is a trade-off between the need for ensuring zero voltage switching (ZVS) for both MOSFETs and their turn-off losses. The higher the switched current is, the higher the margin for ZVS will be.

Half-Bridge LLC Resonant Converters with Si and SiC MOSFETs

技術(shù)的發(fā)展和寬禁帶 (WBG) 功率器件的使用，例如硅 (Si) 和碳化硅 (SiC)，為傳統(tǒng)方法提供了替代。由于其卓越的開(kāi)關(guān)速度、低開(kāi)關(guān)損耗、更高的效率、更高的功率密度，可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健、可靠性更高的系統(tǒng)。高頻操作的主要好處是更小的變壓器和 EMI 濾波器，以及集成到變壓器中的諧振電感器，這進(jìn)一步減小了轉(zhuǎn)換器的尺寸。由于 ZVS 降低了串?dāng)_，即使沒(méi)有負(fù)偏置驅(qū)動(dòng)電壓，MOSFET 也能可靠工作，從而降低驅(qū)動(dòng)電路成本。

在進(jìn)行的仿真中，為碳化硅 (SiC) MOSFET (SCT3080KL) 和硅 (Si) MOSFET (STW45NM50) 建模了一個(gè) 3 KW 半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器，以分析它們的性能。SiC MOSFET 用于一個(gè)模型，而 Si MOSFET 用于另一個(gè)模型。該轉(zhuǎn)換器采用頻率調(diào)制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，通過(guò)改變頻率來(lái)控制輸出電壓。傳導(dǎo)損耗、開(kāi)關(guān)損耗和總損耗計(jì)算如下：

MOSFET 傳導(dǎo)損耗的計(jì)算：

Pcond = Irms 2 * Rd * 占空比

計(jì)算 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗：

Psw = (Vin/2)? I peak ? toff ? fsw

所有 MOSFET 的總損耗為：

?Ptotal = 2 * (Pcond + Psw)

圖片來(lái)源：法魯克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的比較分析。英。過(guò)程。2021 年 12 月 43 日。

SiC和SiC在滿載和半載時(shí)的損耗比較如上圖所示。這表明 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗小于 Si MOSFET。與硅 (Si) MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 的性能更高。

圖片來(lái)源：法魯克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的比較分析。英。過(guò)程。2021 年 12 月 43 日。

上圖分別顯示了硅和碳化硅 MOSFET 在不同輸入電壓下的開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。它表明開(kāi)關(guān)損耗隨著輸入電壓的增加而增加。在低電壓下，傳導(dǎo)損耗最大。結(jié)果表明，碳化硅 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗遠(yuǎn)低于硅硅 MOSFET。

仿真結(jié)果：

圖片來(lái)源：法魯克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的比較分析。英。過(guò)程。2021 年 12 月 43 日。

上圖（a）顯示了不同負(fù)載下硅和碳化硅（SiC）開(kāi)關(guān)的效率分析。分析表明，在 25% 負(fù)載下，采用硅 MOSFET 的轉(zhuǎn)換器的負(fù)載效率遠(yuǎn)低于 SiC MOSFET 轉(zhuǎn)換器。圖 (b) 顯示了輸入電壓變化的效率分析。在標(biāo)稱電壓下，效率最大，當(dāng)電壓從標(biāo)稱電壓升高時(shí)，效率降低。

結(jié)論

硅 (Si) 和碳化硅 (SiC) 寬帶隙器件為各種應(yīng)用中的高效率、高功率密度和節(jié)能提供了巨大的機(jī)會(huì)。仿真以及捕獲的波形展示了半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中碳化硅 MOSFET 優(yōu)于硅 MOSFET 的卓越性能。與硅 (Si) MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 在高頻功率應(yīng)用中的工作效率更高。然而，在低電壓和低功率應(yīng)用中，Si MOSFET 仍然是首選，因?yàn)樗鼈兂杀镜汀?/p>

審核編輯：劉清