使用两种不同的SiC MOSFET实现的三相PFC转换器的器件特性测试和仿真
作者：安森美汽车功率部门应用工程师Fatih Cetindag
碳化硅（SiC）比硅（Si）具有更高的介电击穿强度、能带隙和热导率，功率电子设计人员可以利用这些特性来开发比基于硅IGBT器件的设计具有更大功率密度的更高效的功率转换器。对于这些应用，最大限度地减少高频下的传导和开关损耗需要具有低R_DS(on)和体二极管反向恢复电荷（Q_rr）的器件。
本文回顾了在TO247−4L封装中使用两种不同的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）实现的三相功率因数校正（PFC）转换器的器件特性测试和仿真结果。其中一个测试器件是安森美新的EliteSiC M3S家族的成员，该家族针对低开关损耗进行了优化，另一个来自竞品，基本参数如表1所示。文章还讨论了器件参数如何影响它们的相对性能。

了解功率损耗
开关器件中的功率损耗可以分为导通损耗和开关损耗。开关损耗是由于上升和下降时间而发生的，因为电流或电压不可能瞬间改变电平。对于功率MOSFET的电压和电流，上升和下降时间由器件寄生电容充电和放电的速度决定。此外，体二极管的反向恢复电荷也有助于开关损耗。相反，当器件处于“导通”电流时，会出现导通损耗。器件的动态参数决定了开关损耗，而传导损耗与静态参数有关。通过检查这些参数，设计者可以深入了解器件相对于功率损耗大小的性能。主要导致开关损耗的参数是器件电容（C_oss、C_iss和C_rss）和体二极管反向恢复电荷（Q_rr）。相反，导通损耗的主要因素是R_DS(on)和V_SD（体二极管压降）。

g动态特性测试
最初，使用双脉冲测试装置在不同条件下进行动态特性测试，以比较每个MOSFET的关键参数，如图1所示。随后，进行了三相PFC模拟，以比较每个MOSFET的整体系统效率。


图1：双脉冲测试电路的简化图


表1：两个被测器件的数据表信息

比较静态参数
R_DS(on)和V_SD（体二极管电压降）是最关键的静态参数，它们在多种测试条件下进行了表征。针对竞品A的替代SiC MOSFET与安森美NVH4L022N120M3S进行了测试。表2中总结的结果表明，在所有测量的温度和电流下，安森美的NVH4L022 N120M3S以较低的V_SD实现了优异的性能。这些结果将意味着较低的传导损耗。
 

表2：不同测试条件下VSD的比较
 
R_DS(on)是另一个可用于预测器件导通损耗的关键参数。因此，在25°C和175°C的结温下，这两个器件都具有该参数的特征。R_DS(on)测量是在15V和18V的两个栅极-源极电压下进行的，使用300µs的导通脉冲宽度。这些测试的结果表明，竞品A在每个测试条件下的R_DS(on)略低，这表明在给定结温度下，传导损耗低于M3S。


图2：比较两个MOSFET在25°C（左）和175°C（右）下的R_DS(on)
 
动态参数
SiC MOSFET中少数载流子的缺乏意味着尾电流不会像Si IGBT那样阻碍其性能，并使其具有显著降低的关断开关损耗。此外，SiC器件比Si-MOSFET具有更低的反向恢复电荷，这意味着更小的峰值导通电流和更低的导通开关损耗。输入电容（C_iss）、输出电容（C_oss）、反向转移电容（C_rss）和反向恢复电荷（Q_rr）是主要导致开关损耗的参数，较小的值通常导致较低的损耗。在开关应用中，在开关瞬态间隔期间，漏极-源极电压明显高于6V，因此高电压区域是这些开关曲线的关键部分。当V_DS≥6V时，NVH4L022N120M3S的C_iss、C_oss和C_rss值较低（图3），这意味着它的导通和关断损耗低于竞品A。
 

图3：比较输入Ciss、输出Coss和反向传输Crss电容
 
如图4和图5所示，在25°C和175°C的几种负载电流条件下，使用双脉冲测试来测量两个器件的开关能量损失。测试条件为：

• Vin = 800 V
• R_G = 4.7 Ω
• V_{GS_on} = +18 V
• V_{GS_off} = −3 V
• I_D = 5 − 100 A

平均而言，与竞品A相比，M3S在10 A至100 A的负载电流范围内的开关损耗（25°C时）降低了5%，开关损耗（175°C）降低了9%。主要贡献来自安森美的M3S工艺技术带来的卓越E_ON损耗性能。


图4：25°C下的开关能量损失比较


图5：175°C时的开关能量损失
 
如前所述，MOSFET的反向恢复行为也会影响开关损耗。该参数在I_D = 40 A和25°C时，di/dt=3 A/ns（R_G值调整为相同的di/dt）。测试结果表明，M3S具有比竞品A更好的反向恢复性能，因为它的反向恢复时间更短，反向恢复电荷更低，反向恢复能量更低。


图6：M3S（左）与竞品A（右）反向回收损失比较

        
 
仿真MOSFET性能
有两个电感器（LL）和一个电容器（C）的升压型PFC和LLC是汽车车载充电器和高压DC/DC转换器中流行的电路拓扑。升压型三相PFC拓扑包括六个开关器件，而全桥LLC拓扑有四个开关器件以及次级侧的同步整流器。
 

图7：升压型三相PFC（左）和全桥LLC（右）
在评估了导通和开关损耗后，接下来对三相升压型PFC电路进行仿真（使用PSIM），以使用以下测试条件分别使用每种类型的MOSFET来比较系统效率：

• V_aLL = V_bLL = V_cLL = 400 V
• f_line = 50 Hz
• R_G = 4.7Ω
• V_OUT = 800 V
• f_SW = 100 kHz
• P_OUT = 11 kW (max)

仿真结果表明，在相同的系统设计中，使用NVH4L022N120M3S的三相升压PFC系统在所有操作点上都比竞品A设备表现出更高的效率。


图8：仿真估算：不同功率水平下的效率比较
更好的选择
在功率电子应用中，SiC器件提供了优于传统Si器件的几个优点，包括更高的效率、更低的开关和传导损耗，以及在更高频率下操作的能力，从而实现更高的功率密度设计。与同类竞争器件相比，安森美的M3S技术提供了卓越的开关性能和优点，包括E_TOT、Q_rr、V_SD和整体系统效率。M3S技术经过定制，可满足车载充电器和高压DC/DC转换器等电动汽车高频开关应用的要求。M3S MOSFET设计用于在导通和开关损耗之间实现最佳平衡，使其适用于PFC和其他硬开关应用。
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