SiC MOSFET在3-kW LLC变换器设计中的优势

使用宽带隙半导体材料(如碳化硅或氮化镓)制造的电源开关现在在电力变换器中得到了广泛应用。SiC晶体管的高速开关特性以及低反向恢复电荷，或氮化镓HEMT的零反向恢复电荷，使设计师能够制造比基于硅的替代品更小且高效的电力系统。

然而，尽管氮化镓和碳化硅有如此多的优势，这些开关类型与经过验证的硅MOSFET或IGBT相比仍显得有些陌生。Future Electronics开发的GaNdalf II(2-kW无桥柱状PFC阶段)和GaNSTar(500-W LLC变换器)等参考和演示设计可以为首次接触基于氮化镓和碳化硅电源开关项目的设计师提供有用的蓝图。

现在，Future Electronics位于伦敦的电源系统设计实验室实现了一种基于SiC MOSFET的设计，适用于3-kW LLC电源，将标称390-VDC输入降至49-VDC标称输出。

在SiC MOSFET以250 kHz的高速开关下，这种新的SoniC演示设计板与基于3-kW硅MOSFET设计相比，能够实现约30%的总体空间节省，而后者的最大开关频率通常不超过100 kHz。SoniC板的快速开关性能使得可以使用更小的磁性元件和电容器。

图1

设计团队的设计原则是使用标准现成组件，或者在变压器的情况下，采用任何中小型OEM可以低成本生产的传统设计。该设计还避免了采用不常规的磁性组件组装方法，例如次级的铜带或平面磁性设计和构造。

通过SoniC板，Future Electronics开发了一种成功的架构，在满载时实现97.4%的峰值效率。

针对大众市场的3-kW LLC变换器设计

该板的物料清单(BOM)由OEM可以通过分销渠道轻松获得的组件组成：

· 四个onsemi NTH4L045N065SC1650-V SiC MOSFET开关，位于初级侧，其在15 V门源电压下的典型导通电阻为45 mΩ。

· 四个onsemi NCD57000隔离高电流门驱动器，位于初级侧。

· 一个绕制的线圈和核心变压器以及独立的绕制线圈和核心谐振电感。

· 一个现成的onsemi NCP4390 LLC控制器——一种用于具有同步整流的LLC谐振变换器的先进脉冲频率调制(PFM)控制器，采用充电控制技术。

· 八个onsemi FDMT80080DC 80-V MOSFET，由四个onsemi NCP51530半桥驱动器和四个NCP4308同步整流控制器驱动。

使用250 kHz开关的SiC MOSFET使得比基于硅MOSFET的3-kW变换器可以使用更小的谐振电感和变压器，从而比全硅设计节省约30%的空间(见图2)。

图2

在实现宽带隙半导体技术以产生空间和重量节省时，设计师必须在SiC和GaN之间进行选择。在SoniC设计中，Future Electronics的工程师选择了在初级侧使用SiC，因为多家设备制造商提供的高压SiC产品广泛可用。

在今天的SiC生产技术日益成熟和质量提高的标志中，对变换器初级侧的测试显示出无故障性能。在软开关拓扑中，onsemi的SiC MOSFET及其驱动器在250 kHz下保持稳定和可靠的操作(见图3)。

图3

全桥配置在次级侧实现稳定操作

引入SiC功率开关并未给实现小型高功率LLC DC/DC变换器带来任何困难。但要实现30%的体积减少，系统需要在高频下运行——在满负载下为250 kHz，并且在启动时可能高达690 kHz，在轻负载操作中可达500 kHz。支持高达690 kHz开关频率的onsemi NCP4390 LLC电源控制器是该应用的理想选择。它是LLC谐振变换器的PFM控制器，具有同步整流功能。它采用电流模式控制技术，这提供了比电压模式控制更好的功率级控制到输出传递函数，简化了反馈回路的设计。

然而，在SoniC板设计的早期迭代中，高开关频率在变压器中引发了一些问题。

SoniC板的架构采用标准的LLC变换器实现，使得OEM可以大规模生产。这种架构通常会在次级侧使用半桥电路(或中心抽头变压器)以优化DC/DC阶段效率。

但是，尝试在次级侧使用中心抽头变压器配置导致了过多的振铃现象，电源开关的漏极-源极电压开关波形的峰值电压超过了原硅MOSFET的150 V额定值。价格、可获得性和效率问题使得使用额定电压超过150 V的MOSFET变得不可行。

然而，当设计修改为在次级侧使用全桥配置时，振铃问题消失了。这使得可以使用80-V硅MOSFET，其导通电阻低于150-V MOSFET，从而有潜力减少导通损耗。

实际上，在测试中，SoniC板在满载下的最低效率达到了97%，在10%到100%的负载范围内达到了93%(见图4)。

图4

由于SoniC板的模块化和灵活设计，Future Electronics设计团队能够在不更改变压器设计的情况下，改变次级侧的全桥实现。由于次级侧以全桥模式运行，由于硅MOSFET的低导通电阻，很难在3 kW下实现同步操作，而这是实现转换效率目标所必需的特性。尽管如此，在不连续导电模式下，SoniC板在LLC变换器的共振频率以下达成了有效操作。这适合于各种高功率应用。

但是，如果需要，设计可以修改以使LLC变换器在共振频率以上的连续导电模式下运行，以支持超过390 V的输入电压。有两个选项：

· 将NCP4390靠近次级侧硅MOSFET，以减少干扰并改善漏源电压检测。NCP4390具有设置，允许设计师定义最小死区，支持更长的MOSFET反向恢复时间。

· 将NCP4308替换为支持更长死区操作的替代同步整流控制器，例如onsemi NCP4306或STMicroelectronics SRK2001。

新组件可能会增强SoniC变换器的设计

Future Electronics提供的SoniC板展示了onsemi SiC MOSFET在高功率LLC变换器中以高开关频率运行时的稳定高效操作。新型更先进组件的出现为进一步提升SoniC板的高性能提供了潜力。

一个选项是升级次级侧使用的硅MOSFET。原始SoniC板使用的是开发时可用的最佳onsemi硅MOSFET，但此后已被基于onsemi新工艺技术开发的T10家族取代。80-V NTMFWS1D5N08X MOSFET适合在SoniC的全桥配置中使用。使用这个T10 MOSFET的优点在于，由于其较低的反向恢复电荷，开关性能得以改善。导通电阻也低于onsemi MOSFET的前几代，预示着系统效率的提高。

展望未来，第二个选项是研究在次级侧使用150-V GaN FET的可能性，形成半桥配置。这些GaN开关最显著的特点是没有反向恢复电荷;基于这些器件的半桥电路将不会出现使用150-V硅MOSFET的半桥配置中的振铃现象。

今天，这种低压GaN开关的供应仍然有限，同时单位成本和导通电阻均高于其硅对应物。GaN FET的封装样式和尺寸选择也远小于硅MOSFET。

但是，GaN器件制造商的生产路线图表明，供应情况将显著改善，设计工程师可以选择的产品组合预计将在未来几个月内扩大。

这些对Future Electronics设计蓝图的修改选项为提高效率和降低BOM成本提供了一定的希望。然而，即使在目前的形式下，SoniC板也明确证明，在高功率LLC DC/DC变换器阶段使用SiC MOSFET能够实现显著的30%空间节省，同时在不使用任何外来组件或非标准拓扑的情况下实现稳定运行和高效率。