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2018.11.08 AC/DC

设计中使用的电源IC:专为SiC-MOSFET优化

使用SiC-MOSFET的隔离型准谐振转换器的设计案例

本文将从设计角度首先对在设计中使用的电源IC进行介绍。如“前言”中所述,本文中会涉及“准谐振转换器”的设计和功率晶体管使用“SiC-MOSFET”这两个新课题。因此,设计中所使用的电源IC,是可将SiC-MOSFET用作开关的准谐振转换器IC。

在使用电源IC的设计中,要使用SiC-MOSFET需要专用的电源IC

设计中使用的电源IC是ROHM的“BD7682FJ-LB”这款IC。BD7682FJ-LB是AC/DC转换器用的准谐振控制器,是全球首款*专为驱动SiC-MOSFET而优化的IC。(*截至2015/3/25的数据)

您可能已经注意到,开关要使用SiC-MOSFET时,需要为将SiC-MOSFET用作开关而专门设计的电源用IC。这意味着SiC-MOSFET的栅极驱动与Si-MOSFET是不同的。您可能马上会问“有什么不同呢?”,在介绍电源IC之前,先来了解一下SiC-MOSFET与Si-MOSFET的栅极驱动的不同之处。

主要的不同点是SiC-MOSFET在驱动时的VGS稍高,内部栅极电阻较高,因此外置栅极电阻Rg需要采用小阻值。Rg是外置电阻,属于电路设计的范畴。但是,栅极驱动电压绝大多数情况下都取决于IC的规格,因此虽然不是没有方法,但选用专为SiC-MOSFET用而优化的电源IC应该是上策。

具体一点来讲,在规格方面,一般的IGBT或Si-MOSFET的驱动电压为VGS=10V~15V,电源IC以“AC/DC PWM方式反激式转换器设计手法”篇中使用的AC/DC转换器用PWM控制器IC:BM1P061FJ为例,其栅极驱动电压(OUT引脚H电压)为10.5V(min)~14.5V(max),typ为12.5V。

对此,SiC-MOSFET的VGS为20V以上,并逐渐饱和,因此一般建议使用VGS=18V左右进行驱动。此次使用的BD7682FJ-LB的栅极驱动电压(OUT引脚钳位电压)为16.0V(min)~20.0(max),typ为18.0V。

下图是BM1P061FJ的设计过程中使用的N-ch 800V 5A的Si-MOSFET:R8005ANX(左)和此次使用的N-ch 1700V 3.7A的SiC-MOSFET:SCT2H12NZ(右)的导通电阻与VGS特性比较图。从比较图中可以看出,上述IC的栅极驱动电压在每种MOSFET将要饱和前变为VGS。

20170607_graf_01

由于该比较不是在同等规格和条件下的比较,因此请当做用来理解上述VGS之不同的资料使用。

设计中所使用的电源IC:SiC-MOSFET驱动用AC/DC转换器控制IC:BD7682FJ-LB

通过前面的说明,相信您已经理解了BD7682FJ-LB作为SiC-MOSFET用IC最重要的关键点,接下来介绍其概要和特点。

<特点>

  • 小型8引脚SOP-J8封装
  • 低EMI准谐振方式
  • 降频功能
  • 待机时消耗电流低:19uA
  • 无负载时消耗电流低(轻负载时采用猝发模式工作)
  • 最高频率(120kHz)
  • CS引脚Leading-Edge Blanking(前沿消隐)
  • VCC的UVLO保护和OVP保护
  • 逐周期过流保护电路
  • 软启动
  • ZT触发器屏蔽功能及OVP保护
  • 输入欠压保护功能(掉电)
  • SiC-MOSFET用栅极钳位电路

<重要特性>

  • 工作电源电压范围(VCC):15.0V~27.5V
  • 正常工作电流: 0.80mA(typ.)
  • 猝发模式时工作电流: 0.50mA(typ.)
  • 最高振荡频率: 120kHz(typ.)
  • 工作温度范围: -40℃~105℃

20170607_graf_02

主要的特点是SiC-MOSFET适用和准谐振方式。准谐振方式利用软开关工作,与PWM方式相比,具有低噪声、高效率、可降低EMI的优点。

另外,还内置多种保护功能,在690VAC这样的高电压条件下也可工作,可支持广泛的工业设备应用。其中包括电源电压引脚的过压保护、输入电压引脚Brown-In / Brown-Out(低电压输入动作禁止功能)、过流保护、二次侧电压过压保护等。

20170607_graf_03

在高耐压应用中,与Si-MOSFET相比,SiC-MOSFET具有开关损耗及传导损耗少、温度带来的特性波动小的优点。这些优点有利于解决近年来的重要课题–节能化和小型化,比如有助于提高功率 转换效率,可实现散热器的小型化,可高频工作从而实现变压器和电容器的小型化等。

右图是在AC/DC转换器中SiC-MOSFET与Si-MOSFET的效率比较。如图所示,预计可实现高达6%的效率提升。

20170607_graf_04

另外,除此次使用的BD7682FJ-LB之外,根据FB引脚过载保护、VCC引脚过压保护功能,还有另外3种不同机型。

  FB引脚OLP VCC引脚OVP
BD7682FJ-LB AutoRestart Latch
BD7683FJ-LB Latch Latch
BD7684FJ-LB AutoRestart AutoRestart
BD7685FJ-LB Latch AutoRestart

最后,虽然与特性和性能没有直接关系,也在此提一下,这些产品是面向工业设备市场的、保证长期供应的产品。作为具备卓越性能和工业设备所需保护功能等的电源IC,这样的支持也是非常重要的。

下一篇文章将对准谐振方式进行介绍。

关键要点:

・在使用电源IC的设计中,要使用SiC-MOSFET需要专用的电源IC。

・SiC-MOSFET和Si-MOSFET的栅极驱动电压VGS不同。

・设计中使用了SiC-MOSFET驱动用AC/DC转换器控制IC:BD7682FJ-LB。

PWM方式反激式转换器设计手法