【功率器件心得分享】功率器件在Boost電路中的應用
風能、太陽能等新能源均需經(jīng)過電力電子變換才能接入電網(wǎng),隨著新能源發(fā)電量的逐年攀升,市場對電力電子變換器的要求朝著大功率、高頻率、低損耗的方向快步前進。作為傳統(tǒng)電力電子變換的開關器件,Si IGBT已難以滿足需求,而新型半導體器件SiC MOSFET具有更好的性能,被普遍認為是新一代的功率器件。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201612/341753.htm對于電力電子變換器而言,SiC MOSFET可作為開關器件使用。而在電力電子變換器中,升降壓斬波電路是最基本的電路結構,以此為基礎可擴展出各類電力電子變換器。因此,這里以升壓變換電路為載體,對SiC MOSFET在實際應用中所面臨的兩大主要問題(即柵極電阻對開關性能的影響及頻率對功率傳輸效率的影響),進行理論分析和實驗驗證,以此得出應用SiC MOSFET進行系統(tǒng)設計時的一些注意事項。
Boost變換電路通過對輸入直流電壓進行斬波,從而達到升壓變換的目的。
對于SiC MOSFET而言,為將控制器信號發(fā)送至柵極以控制其開關狀態(tài),在設計時往往附加一驅(qū)動電路以實現(xiàn)電壓等級轉(zhuǎn)換和功率擴大。然而在實際設計中,驅(qū)動電路不可能與開關管柵極直線相連,線路電感的存在不可避免。由于SiC MOSFET自身任意兩極之間存在電容特性,在驅(qū)動電壓作用下,線路電感必然與之發(fā)生激烈振蕩,為消弱振蕩阻尼至可接受范圍內(nèi),通常采用的手段是在柵極串聯(lián)電阻,從這一層面上看,柵極電阻越大越好。然而,由于柵極電阻的加入,驅(qū)動電源的電壓特性遭到了破壞,降低了開關信號前后沿陡度,控制信號波形前后沿會出現(xiàn)明顯的上升和下降指數(shù)。
理想的開關器件其導通壓降為零,但即使SiCMOSFET也無法達到導通壓降為零,此外由于存在開關損耗,使功率傳輸過程中必然存在一定損耗。
以Boost電路連續(xù)工作狀態(tài)為例,分別對開關損耗和導通損耗粗略估算。實驗電路基本參數(shù):負載電阻40 Ω,串聯(lián)電感10 mH,直流電容450μF,電壓比310 V/400 V,輸入功率2 630 W,占空比0.23。系統(tǒng)電路主要由功率模塊、信號模塊及控制模塊3部分構成。
功率模塊為主電路部分,使用兩個SiC器件,其中一個作為開關管,另一個設定為關斷狀態(tài),利用器件自身所攜帶二極管作為反向二極管,所使用的SiC器件具有高開關頻率和低導通阻抗的優(yōu)點。
信號模塊主要功能是將功率模塊測量得到的電壓、電流及頻率傳送到控制模塊,以此對開關管進行控制。控制模塊可分為控制電路和觸摸屏兩部分,觸摸屏主要功能在于顯示測量所得數(shù)據(jù)以下達控制指令;控制電路核心部分是DSP(F2812)和FPGA(XC38500E)芯片,主要功能是接受觸摸屏發(fā)出的指令,并以此向功率模塊開關管發(fā)出相應的控制信號。利用實驗電路,針對不同Rg和不同f做了兩部分實驗,分別驗證上述理論的正確性。
(1)不同柵極電阻情況下SiC MOSFET開通、關斷電流暫態(tài)過程
設f=20 kHz,分別選取Rg為6 Ω和10 Ω時分析開關管上升沿和下降沿暫態(tài)過程,圖4為實驗結果??梢钥闯觯?(Rg=10 Ω)>δ1(Rg=6 Ω)δ2(Rg=10 Ω)>δ2(Rg=6 Ω)。與Rg=10 Ω相比,Rg=6 Ω開關速度更快。這驗證了Rg越小,上升和下降暫態(tài)過程越短。對于傳統(tǒng)Si IGBT而言,其開通和關斷時間約400 ns,而從SiC電路實驗結果可見,Rs=6 Ω時,δ1≈80 ns,δ2≈50 ns,減少了80%以上,這意味著SiC器件在開關頻率方面開發(fā)前景更廣闊。
實驗通過控制SiC MOSFET f逐步從零增加至100 kHz,測量不同f下η值
可見,在0~100 kHz區(qū)間內(nèi),SiC器件傳輸效率始終大于98.4%,這完全能夠滿足應用需求。隨著f逐步增加,η逐步降低;Rg越大,η也越低,此結果符合f對η影響的理論分析。
通過對實驗結果的分析對比可見,SiC器件在電力電子設備應用上與Si器件相比有較大優(yōu)勢,但同樣存在限制自身潛力開發(fā)的因素。在SiC系統(tǒng)電路設計中,柵極電阻的選擇需充分考慮到限制暫態(tài)電流和開關時間限制這兩個要求,同時為保證SiC器件傳輸效率,開關頻率的選擇也需慎重。
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