碳化硅mosfe在開(kāi)關(guān)電源中的功率損耗測(cè)試

碳化硅mosfe在開(kāi)關(guān)電源中的功率損耗測(cè)試

目前，大多數(shù)開(kāi)關(guān)采用硅（si）功能半導(dǎo)器作為開(kāi)關(guān)。由于某些材料的特性，其開(kāi)發(fā)有限。為了進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的效率,迫切尋求一種能夠承受足夠高的耐壓和極快的開(kāi)關(guān)速度,又具有很低的導(dǎo)通電壓的理想功率半導(dǎo)體器件。由于SiC材料的優(yōu)良特性,在同等的耐壓條件下,SiCMOSFET相比于SiMOSFET具有更高的開(kāi)關(guān)速度,更小的導(dǎo)通電阻,更小的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。隨著碳化硅(SiC)材料的快速發(fā)展,SiC功率半導(dǎo)體器件在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注,有替代Si半導(dǎo)體器件之勢(shì)。為了對(duì)比SiCMOSFET與SiMOSFET在開(kāi)關(guān)電源中的功率損耗,分析了開(kāi)關(guān)電源MOSFET功率損耗的影響因素,包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗,并采用實(shí)驗(yàn)的方法,在相同驅(qū)動(dòng)條件和負(fù)載條件下,分別測(cè)試了SiCMOSFET和SiMOSFET在反激式開(kāi)關(guān)電源電路中的工作性能和功率損耗。1在開(kāi)關(guān)的功率損失分析中開(kāi)關(guān)電源中MOSFET的功率損耗主要是導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。具體分析如下:1.1導(dǎo)通電阻的穩(wěn)定性開(kāi)關(guān)電源中MOSFET的導(dǎo)通損耗PQ的大小由MOSFET的導(dǎo)通電阻RQ(on)決定,導(dǎo)通損耗PQ的計(jì)算如公式(1):其中,IPrms為流過(guò)開(kāi)關(guān)管的有效值電流。在IPrms保持不變的條件下,PQ與導(dǎo)通電阻RQ(on)呈正比關(guān)系。RQ(on)的大小隨MOSFET的結(jié)溫T發(fā)生變化,具體關(guān)系為RQ(on)∞Tγ,其中γ為常數(shù),Si的γ值為2.42,而SiC的γ值為1.3。在135℃高結(jié)溫狀態(tài)下,SiCMOSFET的導(dǎo)通電阻也僅僅上升20%,而SiMOSFET則上升240%。因此,SiCMOSFET器件適合工作在高溫環(huán)境條件下,與SiMOSFET器件相比,只需要較小的散熱器。1.2mosfip表aspe-ro使用psw的試驗(yàn)開(kāi)關(guān)損耗是由于MOSFET存在開(kāi)關(guān)時(shí)間而產(chǎn)生的,在MOSFET的通、斷過(guò)程中,由于有效的電壓和電流同時(shí)作用于MOSFET,致使MOSFET的開(kāi)關(guān)交疊時(shí)間較長(zhǎng)而造成損耗。開(kāi)關(guān)損耗PSW的計(jì)算如公式(2):MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗PSW主要包括開(kāi)通損耗PSW(on)和關(guān)斷損耗PSW(off)。PSW的大小不僅與開(kāi)關(guān)管的漏-源電壓uds和漏極電流id有關(guān),還與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff有關(guān)。MOSFET柵極-漏極之間的米勒電容(MillerCapacitance)越小,MOSFET的開(kāi)關(guān)速度越快,開(kāi)關(guān)損耗越小。在相同電源母線電壓US、相同輸出功率條件下,反激式開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)損耗主要是關(guān)斷損耗PSW(off)。由于開(kāi)通過(guò)程中漏-源電壓uds從電源母線電壓US減小到接近0時(shí),漏極電流id上升緩慢,因此,相對(duì)關(guān)斷損耗PSW(off),開(kāi)通損耗PSW(on)很小,幾乎可以忽略。2器件的d電mosf用于對(duì)比測(cè)試的反激式開(kāi)關(guān)電源電路由EMC防護(hù)電路、高頻變壓器、功率MOSFET開(kāi)關(guān)管、PWM驅(qū)動(dòng)電路、RCD鉗位電路、反饋電路和輸出整流濾波電路組成。電源輸入端輸入電壓為交流380V,MOSFET開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為50kHz。測(cè)試中選用的SiCMOSFET和SiMOSFET均為1200V/24A器件,其主要參數(shù)如表1。測(cè)試設(shè)備:TPS2024隔離通道示波器,×50電壓探頭,TCP305A電流探頭。2.1柵-源電壓的差異首先通過(guò)分別測(cè)試SiCMOSFET和SiCMOSFET在開(kāi)通過(guò)程中的柵-源電壓變化來(lái)對(duì)比SiCMOSFET和SiMOSFET的開(kāi)關(guān)速度,SiCMOSFET和SiMOSFET開(kāi)通過(guò)程的柵-源電壓的波形如圖1所示,圖1(a)為SiCMOSFET的柵-源電壓波形,圖1(b)為SiMOSFET的柵-源電壓波形。圖1中,SiCMOSFET的上升時(shí)間為340ns,而SiMOFET的上升時(shí)間為3880ns,很顯然SiCMOSFET比SiMOSFET快一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)可以看出,由于米勒電荷的作用造成的柵-源電壓的平臺(tái)時(shí)間也不相同,SiCMOSFET的平臺(tái)時(shí)間不到100ns,而SiMOSFET的平臺(tái)時(shí)間至少要1μs。如果僅僅靠柵-源電壓波形還不足以說(shuō)明問(wèn)題,還可以通過(guò)兩種器件在關(guān)斷過(guò)程中漏-源電壓波形的對(duì)比說(shuō)明。在關(guān)斷過(guò)程中,SiCMOSFET和SiMOSFET的漏-源電壓上升波形如圖2所示。圖2(a)為SiCMOSFET漏極-源極電壓uds波形,圖2(b)為SiMOSFET漏極-源極電壓uds波形。從圖2中可以看出,SiCMOSFET的上升時(shí)間為92ns,而SiMOFET的上升時(shí)間為500ns,SiCMOSFET的關(guān)斷速度明顯快于SiMOSFET,因此,SiCMOSFET的關(guān)斷損耗PSW(off)會(huì)明顯小于SiMOSFET的關(guān)斷損耗。2.2關(guān)斷關(guān)閉損耗測(cè)試?yán)肨PS2024隔離通道示波器自帶的測(cè)試計(jì)算軟件分別計(jì)算出SiCMOSFET和SiMOSFET在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗、導(dǎo)通損耗和總損耗,具體結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為SiCMOSFET的器件損耗測(cè)試結(jié)果,圖3(b)為SiMOSFET的器件損耗測(cè)試結(jié)果。圖3中通道1均為MOSFET的漏-源電壓uds的波形,通道2為漏極電流id的波形。由圖3可以看到,由于SiCMOFET的開(kāi)關(guān)速度明顯快于SiMOSFET,因此在關(guān)斷(關(guān)閉)損耗方面有明顯的差別。SiCMOSFET的關(guān)斷損耗為6.26W,而SiMOSFET的關(guān)斷損耗則為61.0W。由于測(cè)試中受PWM芯片驅(qū)動(dòng)電壓的限制,MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為12V,SiCMOSFET的導(dǎo)通電阻約為20V柵極電壓下的3倍以上,因此SiCMOSFET在導(dǎo)通(傳導(dǎo))損耗上并沒(méi)有顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì),均為2.59W。由于反激式開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)損耗主要是關(guān)斷損耗PSW(off),開(kāi)通損耗PSW(on)很小,在測(cè)試中,兩種器件的開(kāi)通(開(kāi)啟)損耗均為0。如果SiCMOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到20V,導(dǎo)通電阻會(huì)降低到12V柵極電壓狀態(tài)下的1/4,則結(jié)溫在室溫狀態(tài)下的導(dǎo)通損耗會(huì)降低到圖3中數(shù)值的1/4。3氧指數(shù)法上開(kāi)關(guān)的輸入功率相對(duì)于SiMOSFET,SiCMOSFET的高開(kāi)關(guān)速度,在本測(cè)試的反激式開(kāi)關(guān)電源中明顯地降低了功率損耗,為了進(jìn)一步驗(yàn)證SiCMOSFET在開(kāi)關(guān)電源中對(duì)功率損耗的影響,分別對(duì)采用SiCMOSFET和SiMOSFET的開(kāi)關(guān)電源輸入功率進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為采用SiCMOSFET時(shí)開(kāi)關(guān)電源的輸入功率,圖4(b)為采用SiMOSFET時(shí)開(kāi)關(guān)電源的輸入功率。從圖4可以看出,采用SiCMOSFET的開(kāi)關(guān)電源輸入(有效)功率為1.28kW,采用SiMOSFET的開(kāi)關(guān)電源輸入(有效)功率為1.33kW,兩者相差0.05kW,為SiMOSFET的損耗高于SiCMOSFET的部分,占總輸入功率3.8%,表明即使直接用SiCMOSFET替代SiMOSFET也會(huì)提高近4%的效率,如果將柵極驅(qū)動(dòng)電壓提升至20V,則效率的提高會(huì)更明顯。4提高開(kāi)關(guān)效率測(cè)試結(jié)果表明,柵極驅(qū)動(dòng)電壓為12V條件下,采用SiCMOSFET替代SiMOSFET會(huì)