使用 SiC 功率半導體提升高效能切換式轉換器效率

若與成熟的矽 (Si) 元件相比，碳化矽 (SiC) 功率元件有望降低成本及提高效率。然而，有些設計人員可能仍認為 SiC 半導體價格昂貴且難以控制。

要想解決這些疑慮，我們先以 Microchip Technology 的 SiC 範例元件為例，從 SiC 技術的基本優勢開始說起。然後我們將探討 SiC 功率半導體，並展示可讓開發過程更易於管理的模擬工具、可設定的數位閘極驅動器以及公版設計。

小巧、輕便、高效率且具成本效益

工業工廠、電動車 (EV) 或再生能源中的許多高效能電氣應用，必須持續提高能源轉換效率、節約資源並降低成本。相較於成熟的 Si 絕緣閘雙極電晶體 (IGBT)，SiC MOSFET 具有一些突出優勢，即可提供高達 2000 V 的系統電壓以及 3 kW 以上的功率等級。

SiC 半導體具有極為陡峭的切換邊緣和較少過衝等特性，若與 IGBT 相比，其切換損耗極低，即在 30 kHz 的切換頻率下最高可降低 70% (圖 1)。這可提高系統效率並降低電磁干擾 (EMI)，進而最大程度減少對功率因數校正 (PFC) 和線路濾波器的需求。

圖 1：若與 IGBT (上) 相比，SiC MOSFET (下) 在 30 kHz 的切換頻率下，可減少 70% 以上的切換損耗。(圖片來源：Microchip Technology)

在高切換頻率、高電壓和低電流下運作，因此可使用較小的電感式和電容式元件。這樣就能減少重量、電線尺寸和物料清單 (BOM) 成本。若與 Si 電晶體相比，SiC 半導體在較高溫度環境下會更穩定，散熱效果更好，可以使用較小的散熱片，進而將體積減至最小。

SiC MOSFET 具有高突崩能量，因此在非箝位感應開關 (UIS) 使用案例中，非常堅固耐用。SiC MOSFET 通常非常可靠，可達到高功率密度並可耐受暫態的短路。

快速、低損耗 SiC 肖特基能障二極體

Microchip Technology 的 SiC 半導體是創新的選項，可為設計人員提升系統效率、減小尺寸、提高工作溫度，以用於光電逆變器、電池充電、電能儲存、馬達驅動器、不斷電系統 (UPS)、輔助電源供應器和切換式電源供應器 (SMPS) 等應用。

Microchip 的 SiC 肖特基能障二極體 (SBD) 的設計，在突波電流、順向電壓、熱阻、熱電容、低逆電流和低切換損耗等方面，數值表現都相當平衡。

SBD 可提供離散設計，例如 MSC050SDA070BCT 具有可共用陰極和 TO-247-3 封裝的雙重 SBD，可以處理 700 V 的重複逆向復原電壓 (V_RRM) 以及 88 A 的順向電流 (I_F)。MSC50DC70HJ 全橋模組具有多個螺絲端子 ，可以處理 700 V 和 50 A；而 MSCDC50X1201AG 三相橋式模組則旨在用於通孔式焊接中。

高電壓、高電流的堅固耐用型 SiC MOSFET

較新的 SiC MOSFET 可提供高 UIS 能力，約為 10 至 25 J/cm²。MSC080SMA120B4 等典型 N 通道單一電晶體，採用 TO-247-4 封裝，可在最高 1200 V 下切換 37 A，並且具有獨立的開爾文源極連接，進而達到無干擾閘極控制。

SiC MOSFET 電源模組非常適合用於雙位數和三位數千瓦功率範圍內的切換式轉換器應用。例如，MSCSM120AM02CT6LIAG 半橋模組具有多個螺絲端子，且洩漏電感非常低。此模組包含兩個 N 通道 MOSFET，可安全切換高達 1200 V 的負載電路電壓和高達 947 A 的連續電流。

MSCSM120TAM31CT3AG 三相半橋式模組可以處理高達 1200 V 的「汲極對源極」電壓 (V_DSS)、最高 89 A 的切換電流 (I_D)，以及最高 395 W 的功率耗散 (P_D)。整合式 SBD 飛輪二極體具有零逆向復原、零正向復原和不受溫度影響的切換等特性。

數位可編程閘極驅動器

Microchip 的加速 SiC 開發套件 (ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01) 包含所有操作低電感值 SiC 模組所必需的硬體和軟體元件。此套件包括一片現成可用的數位雙通道 SiC 閘極驅動器擴充卡，旨在用來控制 1200 V SiC 模組。閘極驅動器可以使用 Microchip 的智慧型設定工具 (ICT) 和編程配接器進行編程，以達到最佳效能。

驅動板可透過使用合適的配接器卡直接插入 SiC 模組，形成小型半橋裝置，以用於多級開／關操作 (圖 2)。閘極驅動器可支援進階切換控制，具有強大穩健的短路保護功能，並且完全可透過軟體進行設定，包括 +/- V_gs 閘極電壓。

圖 2：在 ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01 中，配接器卡將 SiC 電源模組連接到閘極驅動器板，形成小型半橋電源裝置。(圖片來源：Microchip Technology)

快速成功完成開發

另一種輕鬆、快速且可靠地為您的應用程式設計 SiC 半導體的方式，就是使用 Microchip 的 MPLAB SiC 電源模擬器。電路模擬器基於分段線性電路模擬 (PLECS)，可幫助設計人員在建置原型之前評估 SiC 元件。此元件使用常見電源轉換器拓撲 (例如 DC/AC、AC/DC、DC/DC 應用) 的實驗室測試數據來計算 SiC 元件的功率損耗以及估算接面溫度。

線上 MPLAB SiC 電源模擬器會提供電路拓撲以供選擇，引導您選擇元件、定義操作參數，以及模擬電壓、電流、功率耗散和溫度的訊號曲線 (圖 3)。

圖 3：線上 MPLAB SiC 電源模擬器左側顯示電路和系統參數，右側顯示模擬訊號曲線。此處顯示 Vienna 三相橋式電路的電壓和電流曲線。(圖片來源：Microchip Technology)

Microchip 提供許多 SiC 架構公版設計 (包括設計檔案) 記錄，可幫助工程師快速入門。包括用於電動交通工具和工業應用的電源供應器、充電器和電能儲存系統：

• 11 kW 雙向 DC/DC 橋接器 (用於電動車充電)
• 30 kW Vienna 三相 PFC
• 150 VA 三相 SiC 電源堆疊公版設計

結論

Microchip 的 SiC 功率半導體，可以在雙位數和三位數千瓦切換式轉換器應用中提供高系統效能，並達成小型高功率密度設計。此外，設計人員還可充分運用搭配的模擬工具、可設定的數位閘極驅動器和豐富的公版設計，更快順利完成自己的電路設計。