之前兩篇文章我們分別介紹了CoolSiC™ MOSFET G2的產品特點及導通特性(參考閱讀:CoolSiC™ MOSFET Gen2性能概述,CoolSiC™ MOSFET G2導通特性解析)今天我們來分析一下在軟開關和硬開關兩種情境下,如何進行CoolSiC™ MOSFET G2的選型。
G2在硬切換拓撲中的應用
除了R導通電阻 (DS(on))開關損耗在SiC MOSFET的選型中也扮演著非常重要的角色。因為SiC往往運作在非常高的開關頻率,特別是在硬開關拓撲中,開關損耗的比例可達60%以上。此時使用開關損耗更低的G2來取代G1,會帶來明顯的系統優勢。接下來我們透過MPPT boost電路的模擬實例來看一下。
模擬電路
26A MPPT 模擬條件:
仿真的邊界條件設定為Tvj,max<140℃,G2允許175℃的連續運行結溫,以及200℃/100小時的過載結溫,這裡預留了相當大的餘量。
使用40mΩ的G1對比40mΩ和53mΩ的G2,可以看到,40mΩ的G2總損耗與40mΩ的G1持平,但結溫高約1.9℃(112.1℃-->124℃)。如果使用53mΩ的G2,損耗會大幅增加,結溫上升到141.4℃。然而,G2允許使用更小的閘極電阻,如果將Rg降低到2.3Ω(數據手冊推薦值),則53mΩ的G2結溫會降低至137.1℃。
32A MPPT 模擬條件:
在這種應用情境下,34mΩ G2與40mΩ G1的損耗與結溫基本持平,如果改用40mΩ G2,結溫會上升約8℃。但這種結溫的上升可以透過降低閘極驅動電阻Rg來進行補償。將Rg從4.7Ω降低到2.3Ω,40mΩ G2的結溫將會降低到139.4℃,與40mΩ G1非常接近。
透過對MPPT系統的模擬分析,我們可以看到,在硬切換系統的應用中,由於切換損耗占比較高,導通損耗占比較低,G2對G1的替換策略取決於不同的場景:
1 在特定條件下(例如26A MPPT),可以使用相同導通電阻進行替換,比如用40mΩ G2替換40mΩ G1,可以維持相同的損耗與結溫。如果用34mΩ G2替換40mΩ G1,則可以降低系統損耗和元件溫度,進而提升功率密度並減少冷卻需求。
2 在某些情境下,例如更大電流的MPPT,或者buck-boost中,可以使用更低Rdson的G2來替換Rdson較高一級的G1。例如在32A MPPT中,可使用34mΩ的G2替換40mΩ的G1。也可以對G2採用更低的閘極電阻來降低損耗,在這種情況下可使用40mΩ的G2替換40mΩ的G1。
G2在軟開關拓撲中的應用
在LLC等軟開關拓撲中,由於能實現零電壓開通,因此功率元件只有導通損耗和關斷損耗,而沒有開通損耗。因此對LLC來說,導通損耗所占比重更大。
對20kW LLC典型工況進行模擬:
■MOSFET: IMZC120R034M2H / IMZA120R040M1H,4並
■最大輸出功率,P喔,最大值20千瓦
■共振頻率fr100kHz
■直流輸入電壓,V在800V
■直流輸出電壓,V外面300V
■死區時間,DT:300ns
模擬結果:
從模擬結果可以看出,導通損耗佔總損耗相當大的比例,因此:
■使用IMZC120R034M2H取代IMZA120R040M1H,可以使損耗和結溫維持在相同水平。
■使用IMZC120R026M2H取代IMZA120R030M1H,可降低3℃結溫
因此,在軟開關拓撲中,建議使用導通電阻稍低的G2,來替換導通電阻較高一級的G1。
以下是TO-247-4封裝的G2選型表供參考:
總結
R導通電阻是評估SiC MOSFET的重要考量,但並不是唯一的參數。在進行CoolSiC™ MOSFET G2產品選型時,不能單純依賴常溫下的R。導通狀態(DS開啟)數值,而是要綜合考慮電路拓撲、開關頻率、散熱條件等因素,最好透過模擬來確定最終選型。
參考閱讀
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