简单高效：基于SiC MOSFET技术的1700V集成反激式控制器引领新趋势
作者：Akif Hakki Polat，东欧模拟和电源专家，现场应用工程师
阅读本文以了解：
· 分立式高压反激式转换器设计的缺点
· 使用内置 1,700 V MOSFET 的集成 SiC 反激式控制器的用例
· Power Integrations 和 ROHM Semiconductor 的 1,700 V 集成反激式控制器的比较
反激式转换器可以说是在负载高达 100 W 左右的系统中使用最广泛的 AC-DC 转换拓扑。它特别适用于需要隔离、或具有较高的输入-输出电压比的应用。
反激式转换器最常用于通用输入电压范围约为 85 V 至 265 V AC 的市电供电系统。但它也适用于输入电压范围为 40 V 至 440 V AC 的工业应用。反激式转换器还可用于宽输入-输出电压范围内的 DC-DC 转换：在某些工业和汽车应用中，直流输入电压可能高达 1,000 V DC。当然，应用中的输入电压会影响转换器中使用的电源开关的击穿电压规格。
过去，这限制了电源系统开发人员充分利用集成反激式转换器控制器的能力，与类似的分立电路相比，这种集成式反激式转换器控制器更易于设计到电路板布局中，占用空间更小，所需元器件也更少。在较低电压下，集成反激式控制器通常是首选，但长期以来，集成控制器中嵌入的硅 MOSFET 的最高击穿电压额定值在 800 V 至 1,000 V 范围内，其自身不足以满足许多非常高电压的应用的需求。
现在，基于宽带隙碳化硅 (SiC) 材料的 MOSFET 市场日趋成熟，这使得将集成反激式控制器的电压能力显著扩展至 1,700 V 成为可能。
本文帮助读者评估两家先驱制造商的产品，这两家制造商在支持 SiC MOSFET 的集成反激式控制器市场上处于领先地位。
分立式高压反激式转换器设计的缺点
在集成反激式控制器中，控制电路、栅极驱动器和电源开关都集成在一个封装中。这简化了元器件选择和电路板设计。与分立式系统相比，减少的电路板占用空间对于空间受限的设计特别重要。
但在需要电源开关提供 1,000 V 以上额定电压的系统中，设计人员不得不设法解决集成反激式控制器的有限击穿电压能力。
一种选择是放弃集成的优势，使用带有分立式高压硅 MOSFET 的独立反激式控制器。另一种方法是继续使用额定电压限制在 800 V 至 1,000 V 范围内的集成反激式控制器，但用共源共栅连接的外部 MOSFET 加强其内部 MOSFET。
第一种方法的问题是传统硅 MOSFET 的最大击穿电压：该设计的应用仅限于保证在低于 1,200 V 的电压下运行的系统。
第二种方法并没有这样的阻碍，因为集成开关和外部开关的耐压是相加的。但这是以更复杂的电源系统设计为代价的。图 1 展示了共源共栅 MOSFET 配置的典型电路的原理图，基于 60 W 隔离式 StackFET™ 反激式电源，该电源使用 Power Integrations 的 InnoSwitch™ 3-EP 反激式转换器，型号为 INN3679C-H606，带有 MinE-CAP ™ MIN1072M 大容量电容器小型化和浪涌管理 IC。
使用共源共栅配置时，转换器的正常运行要求设计人员非常注意电路板布局和元器件选择。此外，与使用单个 SiC MOSFET 的电路相比，在此类超高压应用中使用传统硅 MOSFET 会带来更高的开关损耗，一部分原因是 SiC MOSFET 固有的高效率。但除此之外，共源共栅配置的损耗更高，因为串联的两个 MOSFET 在导通期间同时导通。
图 1：包含外部共源共栅连接 MOSFET 的反激式转换器电路示意图（图片来源：Power Integrations，来自Design Example Report 712）
超高压反激式转换器的集成选项
因此，开发电源开关额定电压高于 1,200 V 的反激式转换器的两种选择都有其缺点。具有 1,700 V 额定击穿电压的基于 SiC MOSFET 的集成反激式控制器的出现可以避免这些缺点。
Power Integrations 和 ROHM Semiconductor 的器件为采用超高压交流或直流输入运行、而无需使用外部电源开关的应用提供集成解决方案。它们还让电源系统设计人员受益于 SiC MOSFET比硅等效器件低得多的导通电阻，从而实现更高的转换效率、更少的废热和更高的功率密度。
Power Integrations 的 SiC MOSFET 反激式控制器有两个系列：
· InnoSwitch3-EP系列 – 最大输出功率50W 的 INN3647C，70W 的 INN3649C
· InnoSwitch3-AQ 系列汽车级控制器，由额定功率为 50 W 的 INN3947CQ 和 70 W 的 INN3949CQ 组成
ROHM 还提供其 SiC 反激式控制器（一种工业级器件）的两个版本，两者的区别在于它们的封装：BM2SC12xFP2-LBZ 是具有更大爬电距离的表面贴装器件，而 BM2SCQ12xT- LBZ 采用通孔封装。
Power Integrations 控制器的典型应用电路如图 2 所示。
图 2：Power Integrations 的 InnoSwitch3-AQ 反激式控制器的简化典型应用电路（图片来源：Power Integrations，来自 InnoSwitch3-AQ 数据手册）
图 2 清晰地说明了集成的好处：该电路包含很少的外部组件。特别是，它在初级侧不包含外部电流检测电阻器。相反，可以通过更改连接到 BPP 引脚的电容器的值来设置两个限流电平，从而选择两个限流电平之一。
在次级侧，可以使用标准二极管代替同步整流 (SR) MOSFET。SR 引脚必须接地，以禁用同步整流功能。准谐振操作可由次级侧的 FWD 引脚控制。
通过使用 ROHM 集成反激式控制器，在工业应用中可以实现类似的简单性，如图 3 中的应用电路所示。
图 3：ROHM 的 BM2SC12xFP2-LBZ 反激式控制器的简化典型应用电路（图片来源：ROHM Semiconductor，来自 BM2SC12xFP2-LBZ 系列数据手册）
与 Power Integrations 控制器相比，ROHM 控制器的电流检测方案需要在内部 MOSFET 的源极引脚和地之间连接一个外部检测电阻。该外部电阻器使设计人员可以通过选择电流检测电阻器的值来自由设置不同的电流限制值。
准谐振操作是通过初级侧的分压电阻检测偏置绕组电压来控制的。
比较两个集成控制器
Power Integrations 和 ROHM 元器件之间的相似之处多于不同之处。两者具有共有的重要特性：
· 高集成度，可简化电路设计，减少元器件数量，减小系统尺寸
· 高转换效率和低功率损耗，得益于内部SiC MOSFET 的超低开关损耗。例如，ROHM 表示 BM2SC12xFP2-LBZ 产生的废热很少，可用于可驱动高达 48 W 负载的电路，且无需散热器
这两个元器件之间最明显的区别在于它们支持的应用范围。ROHM 控制器和 Power Integrations InnoSwitch3-EP 用于工业应用，典型示例包括高压整流器、逆变器、电机驱动器、太阳能逆变器和高压计量设备的辅助电源。
但 Power Integrations 还提供符合汽车标准的系列 InnoSwitch3-AQ，适用于电动汽车牵引电机的逆变器或其车载充电器等应用。
另一个重要区别在于 ROHM 控制器需要外部电流检测电阻器，而 Power Integrations 控制器则不需要。因此，使用 Power Integrations 控制器的设计人员可以得益于更少的元器件数量，并避免电阻器的成本。但另一方面，ROHM 控制器让设计人员可以自由设置任何电流限制，而 Power Integrations 控制器仅提供两个预设电流限制值的选择。
还值得注意的是，Power Integrations 控制器包括集成的 FluxLink 隔离反馈信号，而 ROHM 元器件需要外部光耦合器或其他隔离反馈链路。
抢先进入不断增长的市场？
Power Integrations 和 ROHM 都抢先一步，率先开发出结合高集成度与 1,700 V 额定电压的器件，适用于超高压系统。富昌电子预测这些集成反激式控制器的集成和效率优势将受到工业 OEM 厂商的欢迎，INN3947CQ 和 INN3949CQ 将受到汽车 OEM 厂商的欢迎。
当然时间会证明一切，其他制造商也具有出色的 SiC MOSFET 制造能力，我们可以期待在未来数月和数年内看到更多带有嵌入式 SiC 功率开关的新型集成反激式控制器上市。
