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來(lái)源：富昌電子 作者：Akif Hakki Polat，東歐模擬和電源專家，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 閱讀本文以了解： · 分立式高壓反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的缺點(diǎn) · 使用內(nèi)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(zhuǎn)換器可以說(shuō)是在負(fù)載高達(dá) 100 W 左右的系統(tǒng)中使用最廣泛的 AC-DC 轉(zhuǎn)換拓?fù)洹Ｋ貏e適用于需要隔離、或具有較高的輸入-輸出電壓比的應(yīng)用。 反激式轉(zhuǎn)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(yīng)用。反激式轉(zhuǎn)換器還可用于寬輸入-輸出電壓范圍內(nèi)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換：在某些工業(yè)和汽車應(yīng)用中，直流輸入電壓可能高達(dá) 1,000 V DC。當(dāng)然，應(yīng)用中的輸入電壓會(huì)影響轉(zhuǎn)換器中使用的電源開(kāi)關(guān)的擊穿電壓規(guī)格。 過(guò)去，這限制了電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員充分利用集成反激式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器控制器更易于設(shè)計(jì)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(zhǎng)期以來(lái)，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(nèi)，其自身不足以滿足許多非常高電壓的應(yīng)用的需求。 現(xiàn)在，基于寬帶隙碳化硅 (SiC) 材料的 MOSFET 市場(chǎng)日趨成熟，這使得將集成反激式控制器的電壓能力顯著擴(kuò)展至 1,700 V 成為可能。 本文幫助讀者評(píng)估兩家先驅(qū)制造商的產(chǎn)品，這兩家制造商在支持 SiC MOSFET 的集成反激式控制器市場(chǎng)上處于領(lǐng)先地位。 分立式高壓反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的缺點(diǎn) 在集成反激式控制器中，控制電路、柵極驅(qū)動(dòng)器和電源開(kāi)關(guān)都集成在一個(gè)封裝中。這簡(jiǎn)化了元器件選擇和電路板設(shè)計(jì)。與分立式系統(tǒng)相比，減少的電路板占用空間對(duì)于空間受限的設(shè)計(jì)特別重要。 但在需要電源開(kāi)關(guān)提供 1,000 V 以上額定電壓的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員不得不設(shè)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(shì)，使用帶有分立式高壓硅 MOSFET 的獨(dú)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(nèi)的集成反激式控制器，但用共源共柵連接的外部 MOSFET 加強(qiáng)其內(nèi)部 MOSFET。 第一種方法的問(wèn)題是傳統(tǒng)硅 MOSFET 的最大擊穿電壓：該設(shè)計(jì)的應(yīng)用僅限于保證在低于 1,200 V 的電壓下運(yùn)行的系統(tǒng)。 第二種方法并沒(méi)有這樣的阻礙，因?yàn)榧砷_(kāi)關(guān)和外部開(kāi)關(guān)的耐壓是相加的。但這是以更復(fù)雜的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為代價(jià)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(zhuǎn)換器，型號(hào)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(shí)，轉(zhuǎn)換器的正常運(yùn)行要求設(shè)計(jì)人員非常注意電路板布局和元器件選擇。此外，與使用單個(gè) SiC MOSFET 的電路相比，在此類超高壓應(yīng)用中使用傳統(tǒng)硅 MOSFET 會(huì)帶來(lái)更高的開(kāi)關(guān)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?yàn)榇?lián)的兩個(gè) MOSFET 在導(dǎo)通期間同時(shí)導(dǎo)通。 
圖 1：包含外部共源共柵連接 MOSFET 的反激式轉(zhuǎn)換器電路示意圖（圖片來(lái)源：Power Integrations，來(lái)自Design Example Report 712） 超高壓反激式轉(zhuǎn)換器的集成選項(xiàng) 因此，開(kāi)發(fā)電源開(kāi)關(guān)額定電壓高于 1,200 V 的反激式轉(zhuǎn)換器的兩種選擇都有其缺點(diǎn)。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(xiàn)可以避免這些缺點(diǎn)。 Power Integrations 和 ROHM Semiconductor 的器件為采用超高壓交流或直流輸入運(yùn)行、而無(wú)需使用外部電源開(kāi)關(guān)的應(yīng)用提供集成解決方案。它們還讓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員受益于 SiC MOSFET比硅等效器件低得多的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)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(gè)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(jí)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(jí)器件）的兩個(gè)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(yīng)用電路如圖 2 所示。
圖 2：Power Integrations 的 InnoSwitch3-AQ 反激式控制器的簡(jiǎn)化典型應(yīng)用電路（圖片來(lái)源：Power Integrations，來(lái)自 InnoSwitch3-AQ 數(shù)據(jù)手冊(cè)） 圖 2 清晰地說(shuō)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(jí)側(cè)不包含外部電流檢測(cè)電阻器。相反，可以通過(guò)更改連接到 BPP 引腳的電容器的值來(lái)設(shè)置兩個(gè)限流電平，從而選擇兩個(gè)限流電平之一。 在次級(jí)側(cè)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)諧振操作可由次級(jí)側(cè)的 FWD 引腳控制。 通過(guò)使用 ROHM 集成反激式控制器，在工業(yè)應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)類似的簡(jiǎn)單性，如圖 3 中的應(yīng)用電路所示。
圖 3：ROHM 的 BM2SC12xFP2-LBZ 反激式控制器的簡(jiǎn)化典型應(yīng)用電路（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor，來(lái)自 BM2SC12xFP2-LBZ 系列數(shù)據(jù)手冊(cè)） 與 Power Integrations 控制器相比，ROHM 控制器的電流檢測(cè)方案需要在內(nèi)部 MOSFET 的源極引腳和地之間連接一個(gè)外部檢測(cè)電阻。該外部電阻器使設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇電流檢測(cè)電阻器的值來(lái)自由設(shè)置不同的電流限制值。 準(zhǔn)諧振操作是通過(guò)初級(jí)側(cè)的分壓電阻檢測(cè)偏置繞組電壓來(lái)控制的。 比較兩個(gè)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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，減少元器件數(shù)量，減小系統(tǒng)尺寸 · 高轉(zhuǎn)換效率和低功率損耗，得益于內(nèi)部SiC MOSFET 的超低開(kāi)關(guān)損耗。例如，ROHM 表示 BM2SC12xFP2-LBZ 產(chǎn)生的廢熱很少，可用于可驅(qū)動(dòng)高達(dá) 48 W 負(fù)載的電路，且無(wú)需散熱器 這兩個(gè)元器件之間最明顯的區(qū)別在于它們支持的應(yīng)用范圍。ROHM 控制器和 Power Integrations InnoSwitch3-EP 用于工業(yè)應(yīng)用，典型示例包括高壓整流器、逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器和高壓計(jì)量設(shè)備的輔助電源。 但 Power Integrations 還提供符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的系列 InnoSwitch3-AQ，適用于電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的逆變器或其車載充電器等應(yīng)用。 另一個(gè)重要區(qū)別在于 ROHM 控制器需要外部電流檢測(cè)電阻器，而 Power Integrations 控制器則不需要。因此，使用 Power Integrations 控制器的設(shè)計(jì)人員可以得益于更少的元器件數(shù)量，并避免電阻器的成本。但另一方面，ROHM 控制器讓設(shè)計(jì)人員可以自由設(shè)置任何電流限制，而 Power Integrations 控制器僅提供兩個(gè)預(yù)設(shè)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(hào)，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(jìn)入不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)？ Power Integrations 和 ROHM 都搶先一步，率先開(kāi)發(fā)出結(jié)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(yù)測(cè)這些集成反激式控制器的集成和效率優(yōu)勢(shì)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(dāng)然時(shí)間會(huì)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(lái)數(shù)月和數(shù)年內(nèi)看到更多帶有嵌入式 SiC 功率開(kāi)關(guān)的新型集成反激式控制器上市。 |
