碳化硅功率器件在中高压电力电子系统中的应用优势

瑞能半导体 2022-08-01 2504

描述

碳化硅(SiC)功率器件

在中高压电力电子系统中

有天然的应用优势

光伏，电动汽车，储能充电等电力电子系统向更高电压发展是目前行业中的趋势。

相比于硅基高压器件，碳化硅开关器件拥有更小的导通电阻和开关损耗。电力电子系统需要辅助电源部分用来驱动功率器件，为控制系统及散热系统等提供电源。额定电压1700V的SiC MOSFET为高压辅助电源提供了设计更简单，成本更低的解决方案。

对于母线电压在400V及以下的电力电子系统中，辅助电源常见方案为单开关管反激拓扑。但在光伏、电动汽车、储能充电等大功率或超大功率领域，母线电压会更高。

当母线电压在600-1000V的范围时，如果采用双管反激拓扑(图1 a)，即采用两颗800V规格MOSFET分压，会使系统更复杂，也会增加BOM的成本。如果继续采用单管反激(图1 b)方案，开关管额定电压至少在1500V以上才能满足耐压需求。不仅可选择的硅基MOSFET很少，而且由于器件需要更厚的外延层耐压，导通电阻也会变得很大。

碳化硅作为宽禁带材料，可以在高耐压的同时实现较小的导通电阻。因此，1700V SiC MOSFET特别适用于高母线电压系统的辅助电源开关。

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图1 两种反激电路的对比

瑞能最新推出的1700V SiC MOSFET(料号WNSC2M1K0170W)采用TO-247封装，图2曲线是在施加不同栅极驱动电压下，通态电阻与器件温度的关系，可以看到在25℃室温状态下施加18V驱动电压的通态电阻典型值约为750mΩ。

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图2 通态电阻与器件温度的关系

与市场上常见的1500V Si MOSFET相比，瑞能1700V SiC MOSFET的通态电阻(Rdson)有明显优势(见表1)。在高温情况下，Si MOSFET的通态电阻快速上升，而瑞能SiC MOSFET的通态电阻随温度变化较小，在150℃高温下还可以维持在较低水平，这也为一些环境温度比较恶劣的应用带来了使用上的优势。

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表1 SiC MOSFET vs Si MOSFET通态电阻

瑞能为此1700V SiC MOSFET器件提供了参考设计 (图3)：输入电压范围为200V-1000V, 输出可以同时提供24V, 15V, -15V等多路负载，满功率状态下可达60W。控制方式为采用模拟IC控制器的准谐振反激变换模式。此控制方式在全功率范围内实现了较高的效率水平，图4所示为不同输入电压时该参考设计的效率数据，最高效率点接近90%。

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图3 WNSC2M1K0170W参考设计展示板

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图4 WNSC2M1K0170W

参考设计板效率数据

与上所述1500V Si MOSFET竞品相比，WNSC2M1K0170W效率优势明显。在全功率范围内，大概保持3%左右的效率优势(图5)。而工作状态下，较低的损耗又同时大大降低了器件的运行温度，提升了器件运行的长期可靠性。图6为WNSC2M1K0170W和1500V Si MOSFET竞品在满载60W输出下壳温稳定后的情况。

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图5 60W输出效率对比

WNSC2M1K0170W vs 1500V Si MOSFET

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图6 60W输出壳温

WNSC2M1K0170W vs 1500V Si MOSFET

·新品推介·

瑞能最新推出的1700V SiC MOSFET(料号：WNSC2M1K0170W)采用TO-247封装，可以有效替代反激变换器中使用的Si MOSFET器件，达到简化系统结构，减少BOM成本，提升效率和输出功率的目的。

WNSC2M1K0170W参考设计板可以在200-1000V宽范围输入电压内实现多路负载输出共60W功率，并且最高效率点接近90%。

审核编辑：汤梓红

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