最近，碳化硅 (SiC) 的使用為 BJT 賦予了新的生命，生產(chǎn)出一款可實(shí)現(xiàn)更高功率密度、更低系統(tǒng)成本且設(shè)計(jì)更簡易的器件。SiC BJT 運(yùn)用在光伏電源轉(zhuǎn)換器中時(shí)，可實(shí)現(xiàn)良好效率，并且(也許更重要的是)能夠使用更小、更便宜的元件，從而在系統(tǒng)級(jí)別上顯著降低成本。

    在過去 30 多年中，諸如 MOSFET 和 IGBT 之類的 CMOS 替代產(chǎn)品在大多數(shù)電源設(shè)計(jì)中逐漸取代基于硅的 BJT，但是今天，基于碳化硅的新技術(shù)為 BJT 賦予了新的意義，特別是在高壓應(yīng)用中。

    碳化硅布局以同等或更低的損耗實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，并且在相同形狀因數(shù)的情況下可產(chǎn)生更高的輸出功率。 運(yùn)用了 SiC BJT 的設(shè)計(jì)也將使用一個(gè)更小的電感，并且使成本顯著降低。 雖然運(yùn)用碳化硅工藝生產(chǎn)的 BJT 相較于僅基于硅的 BJT 會(huì)更昂貴，但是使用 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可在其它方面節(jié)省設(shè)計(jì)成本，從而實(shí)現(xiàn)更低的整體成本。本文介紹的升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于光伏轉(zhuǎn)換階段，其充分利用 SiC BJT 的優(yōu)勢(shì)，在顯著降低系統(tǒng)成本的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)良好的效率。

    碳化硅的優(yōu)勢(shì)

    基于硅的 BJT 在高壓應(yīng)用中失寵有幾方面原因。 首先，Si BJT 中的低電流增益會(huì)形成高驅(qū)動(dòng)損耗，并且隨著額定電流的增加，損耗變得更糟。 雙極運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗，并且在器件內(nèi)產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)電阻。 可靠性也是一個(gè)問題。 在正向偏壓模式下運(yùn)行器件，可能會(huì)在器件中形成具有高電流集中的局部過溫，這可能導(dǎo)致器件發(fā)生故障。 此外，電感負(fù)載切換過程中出現(xiàn)的電壓和電流應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)應(yīng)力超出漂移區(qū)，從而導(dǎo)致反向偏壓擊穿。這會(huì)嚴(yán)格限制反向安全工作區(qū) (RSOA)，意味著基于硅的 BJT 將不具有短路能力。

    在運(yùn)用碳化硅的新型 BJT 中不存在同樣的問題。與硅相比，碳化硅支持的能帶間隙是其三倍，可產(chǎn)生更大的電流增益，以及更低的驅(qū)動(dòng)損耗，因此 BJT 的效率更高。 碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的 10 倍，因此器件不太容易受到熱擊穿影響，并且要可靠得多。碳化硅在更高的溫度下表現(xiàn)更出色，因此應(yīng)用范圍更為廣泛，甚至包括汽車環(huán)境。

    從成本角度而言，碳化硅的高開關(guān)頻率在硬件級(jí)可實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。 雖然相較于基于純硅，基于碳化硅的 BJT 更昂貴，但 SiC 工藝的高功率密度將會(huì)轉(zhuǎn)換為更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散熱器和更小的過濾器元件。從長遠(yuǎn)來看，使用更昂貴的碳化硅 BJT 實(shí)際上更省錢，因?yàn)檎w系統(tǒng)的生產(chǎn)成本更低。我們?cè)O(shè)計(jì)的升壓轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子。 它設(shè)計(jì)用于額定功率為 17 千瓦的光伏系統(tǒng)中，具有 600 伏的輸出電壓，輸入范圍為 400 到 530 V。

    管理效率

    BJT 的驅(qū)動(dòng)器電路能夠減少損耗和提高系統(tǒng)效率。驅(qū)動(dòng)器做了兩件事： 對(duì)器件電容迅速充放電，實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)；確保連續(xù)提供基極電流，使晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)中保持飽和狀態(tài)。

    為了支持動(dòng)態(tài)操作，15V 的驅(qū)動(dòng)器電源電壓引起更快的瞬態(tài)變化，并提高性能。SiC BJT 的閾值電壓約為 3V。通常情況下無需使用負(fù)極驅(qū)動(dòng)電壓或米勒鉗位來提高抗擾度。

    SiC BJT 是一個(gè)“常關(guān)型”器件，并且僅在持續(xù)提供基極電流時(shí)激活。選擇靜態(tài)操作的基極電流值會(huì)涉及到傳導(dǎo)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗間的折衷平衡。 盡管有較高的增益值(因此會(huì)形成較低的基極電流)，驅(qū)動(dòng)損耗對(duì) SiC BJT 仍非常重要，由于 SiC 布局具有較寬能帶間隙，因此必須在基極和發(fā)射極間提供一個(gè)更高的正向電壓。 將基極電流增加一倍，從 0.5A 增加到 1A，僅降低正向等效電阻 10%，因此需要降低傳導(dǎo)損耗，同時(shí)使飽和度轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高水平。 這是我們?cè)O(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)樗鼤?huì)在更高的電流紋波下運(yùn)行。1A 的基極電流會(huì)使開關(guān)能力增加至 40A。

    靜態(tài)驅(qū)動(dòng)損耗是選定驅(qū)動(dòng)電壓和輸入電壓的一個(gè)函數(shù)(間接表示占空比值)。實(shí)現(xiàn)高開關(guān)速度需要 15V 的驅(qū)動(dòng)電壓，產(chǎn)生約 8W 的損耗，主要集中在基極電阻上。為了彌補(bǔ)這方面的損耗，對(duì)于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)操作，我們通常使用兩個(gè)單獨(dú)的電源電壓。圖 1 提供了示意圖。高壓驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)會(huì)“中斷”，因此它僅在開關(guān)瞬態(tài)期間使能。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)階段使用較低電壓，從而可以降低靜態(tài)損耗，并在整個(gè)導(dǎo)通期間保持激活狀態(tài)。

圖 1.使用兩個(gè)電源電壓降低損耗

    減小濾波器的尺寸

    在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，可降低無源元件的成本。為了進(jìn)一步提高功率密度，我們著眼于改善濾波器電感的方法。在評(píng)估了各種核心材料的能力后，我們選擇了一種使用 Vitroperm 500 F(一種薄夾層式納米晶體材料)制成的新型磁芯材料。該材料產(chǎn)生的損耗低，且在高頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)良好。此外也可在高飽和磁通值下運(yùn)行，這意味著該材料比類似的鐵氧體磁芯(圖 2 右側(cè))要小得多。使用 Virtoperm 磁芯構(gòu)成的濾波電感器，約為參照系統(tǒng)的四分之一大小。

    圖 2 顯示了在最大電流紋波(40%)下對(duì)于不同材料將電感器尺寸作為開關(guān)頻率函數(shù)的因素。在此，我們假設(shè)電感量近似為電感值，而這又取決于峰值磁通密度和開關(guān)頻率。在達(dá)到指定的臨界點(diǎn)(在 100mW/cm 時(shí)定義的特定損耗3)后，需要降低峰值磁通量以避免過熱，從而在該點(diǎn)之外運(yùn)行將不會(huì)導(dǎo)致其大小顯著減小。頻率一定時(shí)，Vitroperm500F 可在所有材料中實(shí)現(xiàn)最佳性能。

圖 2. 用作頻率函數(shù)的不同芯材的電感器大小，以及與 Vitroperm 和鐵氧體磁芯的大小比較

    圖 3 顯示了測(cè)得的效率級(jí)，包括采用兩階段解決方案的驅(qū)動(dòng)損耗。根據(jù)計(jì)算得出的損耗分布如下圖曲線所示。該系統(tǒng)可以在沒有達(dá)到臨界溫度或飽和度的情況下達(dá)到高電流負(fù)載。 該兩階段驅(qū)動(dòng)解決方案會(huì)將驅(qū)動(dòng)損耗降低至輸入功率的 0.02% 左右。整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小，且更高的開關(guān)頻率允許使用更小的過濾器元件。所有這些特性最終有助于降低系統(tǒng)成本。

圖 3. 48kHz 時(shí)的效率和驅(qū)動(dòng)損耗，以及原型圖

    結(jié)論

    碳化硅賦予 BJT 新的生命。與基于硅的前代產(chǎn)品不同，碳化硅 BJT 可實(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)度，并且可在更廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。在驅(qū)動(dòng)器電路中使用兩個(gè)電源電壓，可降低驅(qū)動(dòng)損耗，實(shí)現(xiàn)良好效率。更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電感器，從而在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)顯著的成本節(jié)約。高壓應(yīng)用(如光伏逆變器)將受益于高功率密度、更低系統(tǒng)成本和簡易的設(shè)計(jì)，因此 SiC BJT 成為極具吸引力的替代產(chǎn)品。