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重新应用BJT在光伏逆变器中运用新型SiCBJT可实现更低的系统成本

发布时间:2020-07-21 17:36:47 阅读: 来源:钢坯厂家

在过去 30 多年中,诸如 MOSFET 和 IGBT 之类的 CMOS 替代产品在大多数电源设计中逐渐取代基于硅的 BJT,但是今天,基于碳化硅的新技术为 BJT 赋予了新的意义,特别是在高压应用中。

本文引用地址:碳化硅布局以同等或更低的损耗实现更高的开关频率,并且在相同形状因数的情况下可产生更高的输出功率。 运用了 SiC BJT 的设计也将使用一个更小的电感,并且使成本显著降低。 虽然运用碳化硅工艺生产的 BJT 相较于仅基于硅的 BJT 会更昂贵,但是使用 SiC 技术的优势在于可在其它方面节省设计成本,从而实现更低的整体成本。 本文介绍的升压转换器设计用于光伏转换阶段,其充分利用 SiC BJT 的优势,在显著降低系统成本的同时可实现良好的效率。

碳化硅的优势

基于硅的 BJT 在高压应用中失宠有几方面原因。 首先,Si BJT 中的低电流增益会形成高驱动损耗,并且随着额定电流的增加,损耗变得更糟。 双极运行也会导致更高的开关损耗,并且在器件内产生高动态电阻。 可靠性也是一个问题。 在正向偏压模式下运行器件,可能会在器件中形成具有高电流集中的局部过温,这可能导致器件发生故障。 此外,电感负载切换过程中出现的电压和电流应力,可能会导致电场应力超出漂移区,从而导致反向偏压击穿。 这会严格限制反向安全工作区 (RSOA),意味着基于硅的 BJT 将不具有短路能力。

在运用碳化硅的新型 BJT 中不存在同样的问题。 与硅相比,碳化硅支持的能带间隙是其三倍,可产生更大的电流增益,以及更低的驱动损耗,因此 BJT 的效率更高。 碳化硅的击穿电场强度是硅的 10 倍,因此器件不太容易受到热击穿影响,并且要可靠得多。 碳化硅在更高的温度下表现更出色,因此应用范围更为广泛,甚至包括汽车环境。

从成本角度而言,碳化硅的高开关频率在硬件级可实现成本节约。 虽然相较于基于纯硅,基于碳化硅的 BJT 更昂贵,但 SiC 工艺的高功率密度将会转换为更高的芯片利用率,并且支持使用更小的散热器和更小的过滤器元件。 从长远来看,使用更昂贵的碳化硅 BJT 实际上更省钱,因为整体系统的生产成本更低。 我们设计的升压转换器就是一个例子。 它设计用于额定功率为 17 千瓦的光伏系统中,具有 600 伏的输出电压,输入范围为 400 到 530 V。

管理效率

BJT 的驱动器电路能够减少损耗和提高系统效率。 驱动器做了两件事: 对器件电容迅速充放电,实现快速开关;确保连续提供基极电流,使晶体管在导通状态中保持饱和状态。

为了支持动态操作,15V 的驱动器电源电压引起更快的瞬态变化,并提高性能。 SiC BJT 的阈值电压约为 3V。通常情况下无需使用负极驱动电压或米勒钳位来提高抗扰度。

SiC BJT 是一个“常关型”器件,并且仅在持续提供基极电流时激活。 选择静态操作的基极电流值会涉及到传导损耗和驱动损耗间的折衷平衡。 尽管有较高的增益值(因此会形成较低的基极电流),驱动损耗对 SiC BJT 仍非常重要,由于 SiC 布局具有较宽能带间隙,因此必须在基极和发射极间提供一个更高的正向电压。 将基极电流增加一倍,从 0.5A 增加到 1A,仅降低正向等效电阻 10%,因此需要降低传导损耗,同时使饱和度转变为较高水平。 这是我们设计升压转换器的一个重要考虑因素,因为它会在更高的电流纹波下运行。 1A 的基极电流会使开关能力增加至 40A

静态驱动损耗是选定驱动电压和输入电压的一个函数(间接表示占空比值)。 实现高开关速度需要 15V 的驱动电压,产生约 8W 的损耗,主要集中在基极电阻上。 为了弥补这方面的损耗,对于动态和静态操作,我们通常使用两个单独的电源电压。 图 1 提供了示意图。高压驱动器的控制信号会“中断”,因此它仅在开关瞬态期间使能。 静态驱动阶段使用较低电压,从而可以降低静态损耗,并在整个导通期间保持激活状态。

图 1.使用两个电源电压降低损耗

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