業(yè)界認為碳化硅(SiC)功率半導體可以在能源極其寶貴的功率轉換應用中實現更高效率，例如用于太陽能發(fā)電機和高端電動汽車。

實際上，碳化硅(SiC)功率器件具有更多的優(yōu)勢，包括借助其強化的溫度特性可提高功率密度和可靠性，同時可簡化電路設計，減少對外部組件的依賴，并且可允許使用更小且成本更低的無源組件。通過比較分別使用SiC和硅技術的輔助電源反激轉換器的幾種設計，我們可以看到在普通應用中是如何發(fā)揮SiC這些優(yōu)勢的。

SiC優(yōu)勢的根基

在用于構建功率半導體器件的工藝形式中，SiC在價帶和導帶技術之間的帶隙能為3.2 eV，這大約為普通硅的三倍。另外，其介電擊穿場強度大約為硅的十倍。這兩個特性共同賦予了SiC器件優(yōu)異的性能，包括更快的開關速度、更高的效率、更高的溫度穩(wěn)定性以及更高的工作溫度上限。對于設備設計人員而言，這可以減少對散熱管理的需求，而不會損害設備的可靠性。

SiC的擊穿場強度更高，使得MOSFET的漂移層可以薄很多，對于給定的擊穿電壓，其導通電阻RDS(ON)相對于芯片面積更低。為了在普通硅中實現高擊穿電壓，MOSFET具有更高的RDS(ON)，從而導致更大的傳導損耗。SiC技術還允許較低的MOSFET柵極電荷Qg，從而以較低的能量損耗實現更快的開關速度，同時具有低RDS(ON)和高擊穿電壓。

輔助電源設計挑戰(zhàn)

諸如太陽能逆變器、工業(yè)DC/DC轉換器、電池充電器等設備通常包含一個輔助電源單元，這個電源單元從主輸入端運行，以便為諸如傳感器模塊、顯示器和其他控制單元或驅動器之類的子系統(tǒng)供電(圖1)。

為了簡便，這里通常會使用反激轉換器。來自次級側的反射電壓、最大關斷過沖和直流輸入電壓，使得主電源開關必須能夠承受最壞情況下的漏源電壓(圖2)。這些電壓的總和可能超過1300V。

可以考慮采用多種設計方法來確保功率晶體管能夠承受在漏極和源極端子之間施加的最壞情形電壓。每種方法都有各自的優(yōu)點和缺點。

一種方法是選擇具有高擊穿電壓(例如1500 V)的功率晶體管。然而，普通的硅高壓晶體管具有相對較高的導通電阻(RDS(ON))，因此會導致不良的傳導損耗和散熱。它們亦往往具有較高的柵極電荷(Qg)，這會導致較高的驅動損耗以及較高的泄漏電流，尤其是在高溫下。

另一種替代方法是串聯連接一對800 V硅MOSFET，這需要更復雜的柵極驅動電路，并且還需要電壓平衡電路。另外，兩個器件都需要散熱器，因此增加了占用的空間。

還有一種解決方案是使用雙開關反激拓撲結構(圖3)，但代價是電路更復雜。這需要隔離的柵極驅動器和電源來控制高邊開關，而且每個器件都需要散熱器。

作為替代，可以使用具有1700 V擊穿電壓和3.7A額定電流的單個SiC MOSFET器件(例如SCT2H12NZ)。該器件結合了高擊穿電壓與低RDS(ON)，其數值范圍是相近1500 V硅MOSFET的二分之一到八分之一。另外，Qg和輸入電容大大降低，因此允許更高的開關頻率，從而可以使用更小的外部組件。此外，SiC能夠承受更高的工作溫度，從而降低了散熱需求。

通過允許單FET反激電路以最小的傳導損耗來達到所需的擊穿電壓，并且在更高的開關頻率下工作，轉用SiC器件可以節(jié)省BOM成本，從而在總體上提供更經濟的解決方案。

專用反激控制器IC產品BD7682FJ用于驅動SiC MOSFET。除了為SiC器件生成建議的14到22 V范圍(通常約為18 V)柵極驅動信號外，它還集成了14 V欠壓鎖定(UVLO)功能以避免散熱問題，還帶有輸出鉗位功能以防止SiC柵極發(fā)生過電壓。這款控制器實現了準諧振開關，以最大程度地降低動態(tài)損耗并實現低噪聲，并采用突發(fā)模式以提高輕負載效率。BD7682FJ還內置了多種保護功能，例如軟啟動、每周期過流限制器、過壓保護和過載保護功能。

性能評測

羅姆（Rohm）創(chuàng)建了具備SCT2H12NZ和BD7682FJ的100 W輔助電源評測板，能夠在輸入電壓范圍為210–480VAC或300–900VDC的條件下運行。

圖4顯示了輕負載(圖左)、50%負載(圖中)和標稱負載(圖右)下晶體管VGS和VDS波形。輕負載波形顯示了控制器如何在打開MOSFET之前等待幾個波谷，從而導致工作頻率低于標稱90到120 kHz范圍。隨著輸出功率的增加，延遲時間減少，工作頻率增加。在標稱功率下，MOSFET在第一個波谷就會導通，在整個負載范圍內進行的測量表明，對于300到900VDC輸入電壓范圍，在標稱功率輸出下效率提高到88到92%。

通過創(chuàng)建輔助電源評測板，羅姆演示了如果充分利用SiC器件的優(yōu)勢，可以實現系統(tǒng)級的成本節(jié)省。

完全集成以發(fā)揮最大優(yōu)勢

羅姆(Rohm)現在更進一步，創(chuàng)建了BM2SCQ121T-LBZ準諧振AC/DC轉換器，完全集成了4 A、1700 V SiC MOSFET與BD7682FJ的功能(包括UVLO、電壓鉗位和突發(fā)模式)。這款轉換器采用方便的TO-220-6M封裝，可以比先前更便捷地使用SiC器件進行設計，并且最大程度地節(jié)省部件數目和電路板空間。

結論

通過結合高額定擊穿電壓與低RDS(ON)，以及高開關速度、低開關損耗和高溫性能，碳化硅MOSFET器件讓設計人員能夠在多種應用中簡化電路設計并降低材料成本，其中包括簡單的反激轉換器。

如今，一種新型的完全集成式反激轉換器IC包含了柵極驅動和控制電路以及內置1700 V SiC MOSFET，采用的是易于使用的行業(yè)標準電源封裝，完美結合了所有這些優(yōu)勢。