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來源：富昌電子 作者：Akif Hakki Polat，東歐模擬和電源專家，現場應用工程師 閱讀本文以了解： · 分立式高壓反激式轉換器設計的缺點 · 使用內置 1,700 V MOSFET 的集成 SiC 反激式控制器的用例 · Power Integrations 和 ROHM Semiconductor 的 1,700 V 集成反激式控制器的比較 反激式轉換器可以說是在負載高達 100 W 左右的系統(tǒng)中使用最廣泛的 AC-DC 轉換拓撲。它特別適用于需要隔離、或具有較高的輸入-輸出電壓比的應用。 反激式轉換器最常用于通用輸入電壓范圍約為 85 V 至 265 V AC 的市電供電系統(tǒng)。但它也適用于輸入電壓范圍為 40 V 至 440 V AC 的工業(yè)應用。反激式轉換器還可用于寬輸入-輸出電壓范圍內的 DC-DC 轉換：在某些工業(yè)和汽車應用中，直流輸入電壓可能高達 1,000 V DC。當然，應用中的輸入電壓會影響轉換器中使用的電源開關的擊穿電壓規(guī)格。 過去，這限制了電源系統(tǒng)開發(fā)人員充分利用集成反激式轉換器控制器的能力，與類似的分立電路相比，這種集成式反激式轉換器控制器更易于設計到電路板布局中，占用空間更小，所需元器件也更少。在較低電壓下，集成反激式控制器通常是首選，但長期以來，集成控制器中嵌入的硅 MOSFET 的最高擊穿電壓額定值在 800 V 至 1,000 V 范圍內，其自身不足以滿足許多非常高電壓的應用的需求。 現在，基于寬帶隙碳化硅 (SiC) 材料的 MOSFET 市場日趨成熟，這使得將集成反激式控制器的電壓能力顯著擴展至 1,700 V 成為可能。 本文幫助讀者評估兩家先驅制造商的產品，這兩家制造商在支持 SiC MOSFET 的集成反激式控制器市場上處于領先地位。 分立式高壓反激式轉換器設計的缺點 在集成反激式控制器中，控制電路、柵極驅動器和電源開關都集成在一個封裝中。這簡化了元器件選擇和電路板設計。與分立式系統(tǒng)相比，減少的電路板占用空間對于空間受限的設計特別重要。 但在需要電源開關提供 1,000 V 以上額定電壓的系統(tǒng)中，設計人員不得不設法解決集成反激式控制器的有限擊穿電壓能力。 一種選擇是放棄集成的優(yōu)勢，使用帶有分立式高壓硅 MOSFET 的獨立反激式控制器。另一種方法是繼續(xù)使用額定電壓限制在 800 V 至 1,000 V 范圍內的集成反激式控制器，但用共源共柵連接的外部 MOSFET 加強其內部 MOSFET。 第一種方法的問題是傳統(tǒng)硅 MOSFET 的最大擊穿電壓：該設計的應用僅限于保證在低于 1,200 V 的電壓下運行的系統(tǒng)。 第二種方法并沒有這樣的阻礙，因為集成開關和外部開關的耐壓是相加的。但這是以更復雜的電源系統(tǒng)設計為代價的。圖 1 展示了共源共柵 MOSFET 配置的典型電路的原理圖，基于 60 W 隔離式 StackFET™ 反激式電源，該電源使用 Power Integrations 的 InnoSwitch™ 3-EP 反激式轉換器，型號為 INN3679C-H606，帶有 MinE-CAP ™ MIN1072M 大容量電容器小型化和浪涌管理 IC。 使用共源共柵配置時，轉換器的正常運行要求設計人員非常注意電路板布局和元器件選擇。此外，與使用單個 SiC MOSFET 的電路相比，在此類超高壓應用中使用傳統(tǒng)硅 MOSFET 會帶來更高的開關損耗，一部分原因是 SiC MOSFET 固有的高效率。但除此之外，共源共柵配置的損耗更高，因為串聯的兩個 MOSFET 在導通期間同時導通。 
圖 1：包含外部共源共柵連接 MOSFET 的反激式轉換器電路示意圖（圖片來源：Power Integrations，來自Design Example Report 712） 超高壓反激式轉換器的集成選項 因此，開發(fā)電源開關額定電壓高于 1,200 V 的反激式轉換器的兩種選擇都有其缺點。具有 1,700 V 額定擊穿電壓的基于 SiC MOSFET 的集成反激式控制器的出現可以避免這些缺點。 Power Integrations 和 ROHM Semiconductor 的器件為采用超高壓交流或直流輸入運行、而無需使用外部電源開關的應用提供集成解決方案。它們還讓電源系統(tǒng)設計人員受益于 SiC MOSFET比硅等效器件低得多的導通電阻，從而實現更高的轉換效率、更少的廢熱和更高的功率密度。 Power Integrations 的 SiC MOSFET 反激式控制器有兩個系列： · InnoSwitch3-EP系列 – 最大輸出功率50W 的 INN3647C，70W 的 INN3649C · InnoSwitch3-AQ 系列汽車級控制器，由額定功率為 50 W 的 INN3947CQ 和 70 W 的 INN3949CQ 組成 ROHM 還提供其 SiC 反激式控制器（一種工業(yè)級器件）的兩個版本，兩者的區(qū)別在于它們的封裝：BM2SC12xFP2-LBZ 是具有更大爬電距離的表面貼裝器件，而 BM2SCQ12xT- LBZ 采用通孔封裝。 Power Integrations 控制器的典型應用電路如圖 2 所示。
圖 2：Power Integrations 的 InnoSwitch3-AQ 反激式控制器的簡化典型應用電路（圖片來源：Power Integrations，來自 InnoSwitch3-AQ 數據手冊） 圖 2 清晰地說明了集成的好處：該電路包含很少的外部組件。特別是，它在初級側不包含外部電流檢測電阻器。相反，可以通過更改連接到 BPP 引腳的電容器的值來設置兩個限流電平，從而選擇兩個限流電平之一。 在次級側，可以使用標準二極管代替同步整流 (SR) MOSFET。SR 引腳必須接地，以禁用同步整流功能。準諧振操作可由次級側的 FWD 引腳控制。 通過使用 ROHM 集成反激式控制器，在工業(yè)應用中可以實現類似的簡單性，如圖 3 中的應用電路所示。
圖 3：ROHM 的 BM2SC12xFP2-LBZ 反激式控制器的簡化典型應用電路（圖片來源：ROHM Semiconductor，來自 BM2SC12xFP2-LBZ 系列數據手冊） 與 Power Integrations 控制器相比，ROHM 控制器的電流檢測方案需要在內部 MOSFET 的源極引腳和地之間連接一個外部檢測電阻。該外部電阻器使設計人員可以通過選擇電流檢測電阻器的值來自由設置不同的電流限制值。 準諧振操作是通過初級側的分壓電阻檢測偏置繞組電壓來控制的。 比較兩個集成控制器 Power Integrations 和 ROHM 元器件之間的相似之處多于不同之處。兩者具有共有的重要特性： · 高集成度，可簡化電路設計，減少元器件數量，減小系統(tǒng)尺寸 · 高轉換效率和低功率損耗，得益于內部SiC MOSFET 的超低開關損耗。例如，ROHM 表示 BM2SC12xFP2-LBZ 產生的廢熱很少，可用于可驅動高達 48 W 負載的電路，且無需散熱器 這兩個元器件之間最明顯的區(qū)別在于它們支持的應用范圍。ROHM 控制器和 Power Integrations InnoSwitch3-EP 用于工業(yè)應用，典型示例包括高壓整流器、逆變器、電機驅動器、太陽能逆變器和高壓計量設備的輔助電源。 但 Power Integrations 還提供符合汽車標準的系列 InnoSwitch3-AQ，適用于電動汽車牽引電機的逆變器或其車載充電器等應用。 另一個重要區(qū)別在于 ROHM 控制器需要外部電流檢測電阻器，而 Power Integrations 控制器則不需要。因此，使用 Power Integrations 控制器的設計人員可以得益于更少的元器件數量，并避免電阻器的成本。但另一方面，ROHM 控制器讓設計人員可以自由設置任何電流限制，而 Power Integrations 控制器僅提供兩個預設電流限制值的選擇。 還值得注意的是，Power Integrations 控制器包括集成的 FluxLink 隔離反饋信號，而 ROHM 元器件需要外部光耦合器或其他隔離反饋鏈路。 搶先進入不斷增長的市場？ Power Integrations 和 ROHM 都搶先一步，率先開發(fā)出結合高集成度與 1,700 V 額定電壓的器件，適用于超高壓系統(tǒng)。富昌電子預測這些集成反激式控制器的集成和效率優(yōu)勢將受到工業(yè) OEM 廠商的歡迎，INN3947CQ 和 INN3949CQ 將受到汽車 OEM 廠商的歡迎。 當然時間會證明一切，其他制造商也具有出色的 SiC MOSFET 制造能力，我們可以期待在未來數月和數年內看到更多帶有嵌入式 SiC 功率開關的新型集成反激式控制器上市。 |
