【導(dǎo)讀】相較于傳統(tǒng)的硅(Si)器件,碳化硅(SiC)擁有諸多優(yōu)勢,涵蓋了廣泛的功率水平和應(yīng)用。憑借 SiC 器件更高的工作溫度、更快的開關(guān)速度、更高的功率密度和更高的電壓/電流能力,SiC 器件可輕松替換現(xiàn)有的基于 Si 的器件及系統(tǒng)。特別是當(dāng)其可提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸時(shí),如 WolfPACK 功率模塊系列產(chǎn)品。無論是想要升級(jí)系統(tǒng)或者新設(shè)計(jì)新,SiC 都能以最低的損耗提供最高的效率和可靠性。Wolfspeed SiC 產(chǎn)品組合包含支持所有功率范圍的器件。650 V 至 1,700 V 的分立器件可帶來靈活、低成本的多種解決方案,同時(shí) 壓接無基板設(shè)計(jì)的 WolfPACK 系列能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的中等范圍功率要求。設(shè)計(jì)人員可以在 WolfPACK 模塊和高功率模塊之間自由選擇,從而根據(jù)其應(yīng)用擴(kuò)展功率,優(yōu)化功率密度、簡化設(shè)計(jì)、降低系統(tǒng)成本、提升可靠性。
#1 設(shè)計(jì)中采用并聯(lián)分立式 SiC MOSFET
若需要提高電流輸出能力,將功率 MOSFET并聯(lián)很常見,但有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不容易解決的問題。一個(gè)重要的考慮事項(xiàng)是開啟閾值電壓(Vth)。當(dāng) MOSFET 的驅(qū)動(dòng)特性與另一個(gè)有差異時(shí),會(huì)出現(xiàn)電流不平衡,這會(huì)可能導(dǎo)致瞬態(tài)電流峰值和穩(wěn)態(tài)電流峰值升高。
例如,圖 1 顯示了兩個(gè)并聯(lián) MOSFET 的電流波形圖,其中一個(gè) Vth 為 2 V,另一個(gè) Vth 為 3 V。請注意看在開通和關(guān)斷時(shí)過沖的差異。還提供了一個(gè)表格,顯示了開關(guān)能量和損耗差異,其中,如果開啟閾值電壓存在 1 V 的差別,會(huì)導(dǎo)致兩個(gè) MOSFET 與總功率損耗之間顯著差異。
圖 1:SiC MOSFET 在不同閾值電壓下的波形圖(左側(cè))和表格(右側(cè))
外部柵極電阻(通常在 1 Ω 到 10 Ω 之間)也應(yīng)該盡可能一致,避免出現(xiàn)時(shí)序問題。柵極電阻較低的 MOSFET 的開通時(shí)間更早,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的開啟瞬態(tài)電流。柵極電阻較高的 MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間稍晚,在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的損耗。雖然具有單獨(dú)的柵極電阻有助于提高可調(diào)性和每個(gè) MOSFET 的最佳性能,但重要的是要了解這些差異如何導(dǎo)致?lián)p耗和時(shí)序差異。
寄生電感也會(huì)帶來電流不平衡,尤其是寄生電感也不一致時(shí)(見圖 2)。這些電感是由于設(shè)計(jì)中的多種因素造成的,包括 PCB 布局、非平衡柵極驅(qū)動(dòng)以及 MOSFET 本身的固有差異。并聯(lián)的三引腳 MOSFET 源極電感不平衡會(huì)在柵極驅(qū)動(dòng)回路中造成循環(huán)電流,這會(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)電壓存在差異。源極雜散電感較低的 MOSFET 的電流在開啟時(shí)會(huì)更快的上上升,并產(chǎn)生更多的開關(guān)能量。在關(guān)斷時(shí)會(huì)更快的下降,導(dǎo)致更高的 DC 和 RMS 值,以及更高的開關(guān)和總功率損耗。
圖 2:并聯(lián) MOSFET 寄生電感不一致造成的電流不平衡
除了損耗和時(shí)序差異外,源極上較大的雜散電感(加上較低的柵極電阻),這會(huì)導(dǎo)致柵極振蕩,使 MOSFET 進(jìn)入非常不安全的工作區(qū)域。
圖 3 顯示了兩個(gè) MOSFET 在開通和關(guān)斷條件下的情況,其中一個(gè) MOSFET 的源極電感為 2 nH,另一個(gè)為 10 nH。在本例中,共源極雜散電感較低的 MOSFET 的總開關(guān)損耗高了 19%,總功率損耗高了 18%。這是由于顯著的 di/dt 和開關(guān)能量的差異。增加 Rg 有助于能夠?qū)⒄袷幗档偷桨踩?,然而,不一定能夠解決能量損耗和時(shí)序不一致的問題。
圖 3:源極電感較低(藍(lán)色)和源極電感較高(紅色)的 MOSFET 在開啟時(shí)(左側(cè))和關(guān)斷時(shí)(右側(cè))的柵極振蕩
使用 60 kW DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該轉(zhuǎn)換器使用四通道并聯(lián)的 SiC MOSFET(Wolfspeed C3M0075120K,其 RDS(on) 通常為 75 mΩ)方案,以演示特定設(shè)計(jì)或拓?fù)湓趦深w并聯(lián) MOSFET 的硬件差別所產(chǎn)生的一些差異。在本例中,從 60 個(gè)樣本器件中挑選出閾值電壓最高和最低的兩個(gè)器件。事實(shí)證明,其中一個(gè) MOSFET(Vth 為 2.666 V,RDS(on) 為 67.96 mΩ)承載的電流比另一個(gè) MOSFET(Vth 為 3.006 V,RDS(on) 為 81.82 mΩ)多 5%。閾值電壓和導(dǎo)通電阻較低會(huì)在開通和關(guān)斷時(shí)導(dǎo)致更高的瞬態(tài)電流,并在時(shí)序產(chǎn)生差異,最終導(dǎo)致更大的功率損耗。
使用 120 W SEPIC LED 驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),其使用兩個(gè)并聯(lián)的 MOSFET,發(fā)現(xiàn)在發(fā)出驅(qū)動(dòng)過程中,MOSFET 一旦開始開關(guān)就會(huì)損壞。經(jīng)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)PCB 布局在其中一個(gè) MOSFET 源極出現(xiàn)了額外的寄生電感。這主要是因?yàn)闁艠O驅(qū)動(dòng)回路和電源重疊,以及布局不對稱造成的。添加鐵氧體磁珠后,它會(huì)抑制振蕩并解決問題。圖 4 顯示了 PCB 和器件布局的一些最佳實(shí)踐,能夠防止寄生電感和敏感走線在長度上相等(并盡可能短)。
圖 4:并聯(lián) MOSFET 的 PCB 布局最佳實(shí)踐
對稱的 PCB 布局對于減少并聯(lián)開關(guān)的柵極回路中的循環(huán)電流非常重要,而將功率回路與柵極回路相分開,可減少源極雜散電感。同時(shí),添加鐵氧體磁珠這樣的柵極抑制器件能夠避免柵極振蕩。建議使用一顆小的 Rg(用于降低開關(guān)損耗)并在柵極引腳處一顆額外的鐵氧體磁珠,以減少柵極電壓尖峰和振蕩,并避免對器件造成可能的損壞。此外,在柵極和源極間添加一顆外部陶瓷電容器也能夠減輕電壓振蕩現(xiàn)象。
圖 5 顯示了在柵極信號(hào)路徑上添加鐵氧體磁珠的原理圖,包含功率路徑,以及由于源極雜散電感帶來的感應(yīng)電壓 ( = Ls di/dt) 如何降低開關(guān)速度。在使用并聯(lián)分立式 MOSFET 擴(kuò)展您的設(shè)計(jì)時(shí),了解這些差異及它們?nèi)绾螌p耗和時(shí)間造成影響是十分重要的。
圖 5:柵極信號(hào)和功率路徑原理圖
#2 如何使用 Wolfspeed 功率模塊進(jìn)行擴(kuò)展
Wolfspeed 功率模塊采用 SiC 技術(shù),具備 SiC 分立式產(chǎn)品所具有的相同優(yōu)勢(開關(guān)頻率、效率、更低損耗),但還具有熱和功率密度優(yōu)勢所帶來的體積、重量和物料清單(BOM)成本等額外優(yōu)點(diǎn)。由于200 kW 有源前端(AFE)系統(tǒng)的磁性器件更小,散熱要求更低,開關(guān)頻率提高 3 倍,減少損耗達(dá) 40%,從而能夠?qū)o源器件物料清單成本減少高達(dá) 37%。WolfPACK 系列能夠?yàn)橹械裙β蕬?yīng)用提供可擴(kuò)展的低成本方案,采用熟悉的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)壓接針腳、無基板封裝。此外,WolfPACK 封裝結(jié)構(gòu)允許靈活的配置,支持多種不同的功率水平。
其中一個(gè)示例是電動(dòng)汽車雙向電池充電機(jī),可以擴(kuò)展至合適的功率級(jí),包含三個(gè)組成部分(見圖 6)。第一部分是交錯(cuò)式 AFE,能夠解決并聯(lián) MOSFET 和電流紋波最小化面臨的挑戰(zhàn)。這一部分的每臺(tái)設(shè)備(WolfPACK CCB021M12MF3)可以產(chǎn)生 25+ kW,可以根據(jù)情況進(jìn)行擴(kuò)展。第二部分是串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器,它通過 1:1 電氣隔離和簡單的控制方案提供高效率。其能夠?qū)p耗最小化,功率輸出達(dá) 55+ kW(使用 CAB011M12FM3),能夠?yàn)檩^高的功率系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性,僅需要調(diào)整二次側(cè)總線,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均衡。最后一部分包含交錯(cuò)雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。在此設(shè)計(jì)中,可以在電流略低于 0 A 的情況下使用臨導(dǎo)通模式控制,從而消除所有開通和二極管損耗,實(shí)現(xiàn)超過 99% 的效率。
圖 6:可擴(kuò)展電動(dòng)汽車雙向電池充電機(jī)示例
在考慮 XM3 系列這樣的高功率模塊時(shí),需要根據(jù)開關(guān)頻率和最大電流選擇合適的模塊。例如,CAB450M12XM3 能夠?yàn)?15 kHz 以下應(yīng)用帶來最高的載流量/功率,而 CAB425M12XM3 適用于 15 kHz 以上的應(yīng)用。CAB400M12XM3 能夠?yàn)檩^低的電流系統(tǒng)和較高頻率的應(yīng)用帶來出色的成本和性能。
和其他配置一樣,需要將雜散電感最小化,從而最大化開關(guān)速度和效率。SiC 器件/模塊的實(shí)際布局對過沖有顯著影響,這是由于寄生電感會(huì)通過高 di/dt 而產(chǎn)生感應(yīng)電壓(疊加在總線電壓之上)。由于 SiC 能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度,其過沖要比 Si 高得多。所以,務(wù)必要遵循最佳布局建議,盡可能降低任何額外的寄生電感。
例如,直流匯流排應(yīng)包含層壓銅平面,而每個(gè)模塊和電容器之間的電感應(yīng)相等。同時(shí)還須具有較大的表面積,幫助散熱,同時(shí)更厚的走線,盡可能減少自身電感和重疊平面以增加磁通抵消。圖 7 顯示了條行設(shè)計(jì)(不推薦)和疊層設(shè)計(jì)(推薦)的最佳時(shí)間示意圖。
圖 7:條行設(shè)計(jì)(左側(cè))和疊層設(shè)計(jì)(右側(cè))
XM3 逆變器在同一模塊平臺(tái)內(nèi)提供功率可擴(kuò)展性,并包含錯(cuò)開的電源連接片,有助于實(shí)施簡單的疊層總線結(jié)構(gòu)。在散熱方面,雙面 Wieland Microcool CP4012D-XP 提供了針對 XM3 模塊進(jìn)行物理和散熱優(yōu)化的封裝。冷板能夠?yàn)槿苛鶄€(gè)模塊位置提供均衡的冷卻劑流量,每個(gè)的熱阻為 0.008 ?C/W,每個(gè)開關(guān)位置可以支持 750 W 的耗散功率。
圖 8 顯示了與 Wieland CP4012D 雙面冷卻板集成的六個(gè) XM3 功率模塊(包含高密度引腳以實(shí)現(xiàn)最佳熱傳導(dǎo))。該設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)簡單、緊湊的系統(tǒng)集成,是利用 XM3 功率模塊及出色熱管理性能的可擴(kuò)展方案的理想示例。
圖 8:XM3 雙電源方案
對于有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的配置,例如包含 XM3 模塊的雙電源方案,時(shí)序必須一致。建議每個(gè)模塊都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器,以實(shí)現(xiàn)更高的驅(qū)動(dòng)能力,同時(shí)也可自由控制時(shí)序。
另一個(gè)使用 XM3 功率模塊的示例是雙逆變器電源回路(如圖 9 所示)。這種設(shè)置包含定制的 DC 母線電容器,該電容器具有集成的層壓總線,適用于兩組電源模塊。其還包含專用的 DC 輸入端子、用于母線和電容器的 13 nH 低功率回路電感以及小于 20 nH 的總雜散電感,并且工作效率超過 98%。圖中所示的是雙逆變器系統(tǒng),圖中還顯示了雙逆變器系統(tǒng),該系統(tǒng)具輸出端子,具有可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用靈活性的輸出端子和多相輸出,可用作雙逆變器或并聯(lián)以獲得更高的輸出電流。
圖 9:XM3 雙逆變器功率回路(左側(cè))和雙逆變器系統(tǒng)(右側(cè))
雙逆變器系統(tǒng)作為雙逆變器可提供每相 375 A 的電流,作為單逆變器提供每相 750 A 的電流。在與競爭技術(shù)(Si IGBT)相比時(shí),輸出功率能力超過其 2 倍(配置為雙逆變器),整體功率密度高了 3.6 倍。
#3 結(jié)論
因此,功率模塊平臺(tái)(Wolfspeed WolfPACK 和 XM3 模塊)能夠?yàn)橹懈吖β蕬?yīng)用帶來靈活、可擴(kuò)展的解決方案。通過簡化布局和組裝最大限度提高了功率密度,同時(shí)借助交錯(cuò)設(shè)計(jì)、功率級(jí)模塊化、簡單對稱的總線以及可輕松實(shí)現(xiàn)模塊并聯(lián)的時(shí)序可配柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的系統(tǒng)/平臺(tái)。模塊化和分立式方案均能夠?qū)崿F(xiàn)功率可擴(kuò)展,但重要的是要注意,對稱布局/設(shè)計(jì)、最小化雜散電感對于實(shí)現(xiàn)最佳效率、電流平衡和相同功率分配至關(guān)重要。
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