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高压硅二极管具有低正向传导压降,但由于其反向恢复行为,会在功率转换器中造成显著的动态损耗。与硅相比,SiC二极管的反向恢复行为可以忽略不计,但确实表现出更高的体电容和更大的正向传导降。由于砷化镓技术能够提供硅和碳化硅的有用特性,本文探讨了一项比较10kW、100kHz相移全桥(PSFB)性能的练习。在该应用中对GaAs、SiC和超快硅二极管进行基准测试的结果表明,GaAs二极管能够以显著较低的成本实现与SiC相当的整体效率。 为什么选择砷化镓? 成本 - 可用性 – 软切换还是硬切换? 与主流硅相比,SiC的性能在二极管和晶体管开关特性方面有了显著的改善,但近年来的趋势是使用软开关拓扑结构在整个转换器上实现最高水平的性能。这些软开关拓扑非常适合砷化镓二极管,使设计人员能够受益于比SiC更低的传导损耗,而不会遭受普通硅可能产生的额外动态损耗。 图1:基准二极管比较 对于给定的功率输出,软开关拓扑通常在功率半导体中运行更高的RMS电流,这是由于强制零电压转换所需的循环谐振能量。具有较低正向压降的砷化镓等技术可以减少这种循环能量造成的损耗,并充分利用开关零电压运行的优势。 二极管引起的功率损耗 “理想”二极管将在不产生任何损耗的情况下执行其功能,但任何真正的二极管(包括宽带隙器件)都会偏离这一理想,其实际行为的不同方面会导致功率损耗。在大多数转换器中,次级侧二极管引起的损耗贡献可分为三个主要区域之一: 非零正向压降,当二极管传导电流时会导致传导损耗。这种损耗机制依赖于拓扑,但通常不是频率的函数。 由于二极管的体电容引起的损耗,电容越高,损耗越高。这与拓扑/频率有关,由此产生的损耗会施加到转换器中的其他元件上。 由于反向恢复效应引起的损耗,这些效应与拓扑/频率相关。这些损耗在二极管和转换器的其他元件中实现。 上述损耗类型的相对电平取决于各个二极管特性、拓扑选择和工作频率。正向导通损耗相对容易计算,而二极管电容和Trr引起的损耗则更为复杂。 二极管行为比较 在基准测试期间比较了三个二极管,标题比较如图1所示。 数据比较表明,从正向导通性能的角度来看,硅和砷化镓的性能都更好,尤其是在高结温下。从开关角度来看,SiC具有明显更高的电容,但反向恢复时间基本上为零。问题是,对于我们的10kW 二极管引起的PSFB损耗 图2显示了典型的PSFB拓扑结构,二极管在D1至D4位置进行基准测试。 PSFB的工作原理是使Q1/Q3和Q2/Q4晶体管对以50%占空比运行,并通过控制其相对相位来控制功率流。该操作允许初级侧器件 Q1-Q4 D1-D4的组合电容与电源变压器和PCB的分布电容相加,在开关转换期间产生D1-D4两端的谐振电压。 图 2:PSFB 拓扑 为了防止损坏D1-D4,使用缓冲器将谐振电压钳位到可接受的水平。在PSFB中,量化有源缓冲器吸收的能量是衡量动态特性(电容和Trr)影响的直接方法。结合转换器整体效率和缓冲器耗散的知识,可以在此应用中对二极管行为进行精确基准测试。 基准测试结果 原型转换器设计用于最大500V/30A/10kW的输出曲线,图3显示了从600V输入以330V/20A输出运行的转换器的示例图。示波器图中的蓝色迹线(C3)显示了在有源缓冲器上测量的电压,由于箝位功率是箝位电压的直接函数,因此有源缓冲器设计为使用自己的控制环路工作,以允许用户将箝位电压设置为固定电平。在图3的示例图中,这是800V。 使用图2中详述的设计参数,可以得到如图4所示的输出曲线,彩色区域显示初级MOSFET的ZVS发生区域,轮廓显示所需的相移。基准测试是在固定的600Vdc输入和输出上使用的恒流负载进行的,具有相移,然后改变输出电压。测量效率和缓冲器功耗与输出电压的函数关系,输出电流为10A、15A和20A。 从图 5 中的结果可以得出几个结论: 基于GaAs和SiC的解决方案的整体转换器效率几乎相同,特别是在较高的负载电流下。在较高的输出电流下,由于GaAs有限Trr引起的稍高的缓冲器损耗被较低的传导损耗所抵消,从而提供相同的整体效率。 由于缓冲器耗散水平高(即与Trr相关的重大损耗),超快硅效率在该应用中非常差。由于测量到的高缓冲功率水平,超快硅测试仅限于低功率。 砷化镓和碳化硅缓冲功率表现出类似的行为,表明砷化镓有限Trr引起的额外损耗在很大程度上被SiC器件较高的原生电容所抵消。 图 3:PSFB 转换器工作波形(C1/C2 是 Q1/Q3 和 Q2/Q4 对产生的电压,C4 是输出整流器 D1-D4 两端的电压,C3 是 L2 图 4:具有 ZVS 区域和恒定相移轮廓的 PSFB 输出 VI 图 根据这一实证工作,已经开发了一个分析模型来模拟二极管电容和Trr的缓冲器损耗。分析表明,在Trr周期内,额外的能量被加载到谐振威廉希尔官方网站 中,从而导致额外的钳位耗散。因此,对于给定的工作点,缓冲功率是二极管电容和Trr的函数。对于本文详述的PSFB,对于500V/20A输出的工作点,分析模型可用于预测二极管电容和Trr的缓冲损耗。这样就可以比较三种二极管类型的行为,如图6所示。 图6显示,对于GaAs和SiC,缓冲功率大致相同,SiC中的零Trr被其较高的本机电容抵消。在超快硅的情况下,由于长时间的反向恢复,低二极管电容的优势被更高的功率水平所淹没。砷化镓的低原生电容和 图 5:GaAs、SiC 和超高速硅的 PSFB 效率(左)和缓冲器耗散(右)基准测试 图 6:在 500V/20A 输出下运行的 PSFB 的缓冲功率与二极管 trr 和电容的函数关系 在原型PSFB中,变压器、输出电感器和PCB布局的总负载电容为300pF。图6所示数据包括所有情况下的基准电容,总二极管电容基于四个二极管的贡献。 结论 在考虑转换器的整体效率时,了解所有主要损耗机制非常重要,包括由二极管动态特性引起的损耗机制。研究表明,砷化镓二极管中的低正向压降、低电容和低/稳定 Trr |
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