每一種功率轉換系統，包括太陽光電變流器、功率驅動裝置、UPS及HVDC等產品，皆需要輔助電源提供12V或24V低電壓電源給閘極驅動器、微控制器、顯示器、感測器及風扇，以確保系統能正常運行。輔助電源則需要從一般工業裝置所使用的三相400/480V AC電源，或太陽光電變流器所使用的高電壓DC電源才能運作。本文將介紹碳化矽(SiC)技術優勢，並如何透過SiC，輕易設計且CP值高的電源解決方案。
運用SiC MOSFET 小型輔助電源效能再增
圖1是輔助電源所用的普通電路。在某些輸入電壓條件下，MOSFET的最高耐壓需要達到1300V。為了確保安全，需要一定的電壓餘量，因此一般來講至少須要使用額定電壓1500V的產品。當然也可以使用具有同樣額定擊穿電壓的Si MOSFET，但損耗將變大，因此需要昂貴且厚重的散熱器。
另一種是使用更複雜的電路布局結構(雙向返馳式變換器方式、低電壓元件串聯等)而不使用1500V MOSFET的做法，但這些做法不僅會增加設計難度，還會使元件數量增加。如果使用特定導通電阻僅為1500V Si-MOSFET的1/2(圖2)的1700V SiC-MOSFET，則輔助電源的設計者們將能夠使用簡單的單向返馳式變換器的電路布局結構，而實現小型化和良好的性能；而若使用有完全塑封的TO-3PFM封裝以及表面安裝型封裝(TO-268-2L)技術，並提供適用此類應用的高耐壓SiC-MOSFET，則可分別確保5mm和5.45m的爬電比距。
控制IC助力 驅動SiC-MOSFET更安全/可靠
因應採用SiC-MOSFET返馳式變換器的輔助電源解決方案，已有電源供應商推出相關的控制IC，這類控制IC的設計是利用返馳式變換器安全可靠地驅動SiC-MOSFET，而且不會因閘極驅動IC而變得複雜。以羅姆半導體(ROHM)為例，該公司旗下的準諧振AC-DC轉換器控制IC–BD768xFJ，能與ROHM的1700V耐壓SiC-MOSFET相結合，並可控制所有的返馳式電路，還能夠以適當的閘極電壓驅動SiC-MOSFET，此外還可透過閘極箝位功能和超載保護功能來保護SiC-MOSFET。
上述應用於SiC-MOSFET的控制IC，採用小型SOP8-J8封裝，具備電流檢測用的外接分流電阻和過負載、輸入欠壓、輸出過電壓保護等保護功能以及緩啟動等功能；且搭載準諧振開關，以在全工作範圍內將EMI抑制在最低水平，並降低開關損耗；還安裝重載模式工作和降頻功能，圖3為採用控制IC的1700V耐壓SiC-MOSFET的輔助電源電路圖。
運用評估板檢視SiC-MOSFET輔助電源性能表現
另一方面，為了方便對使用SiC-MOSFET的簡單輔助電源的性能進行評估，電源供應商也專門研發了評估板(圖4)。評估版的作用是為了在準諧振開關AC-DC轉換器中驅動1700V的耐壓SiC MOSFET。SiC-MOSFET的開關波形如圖5所示。透過不同輸出負載的波形可以看出在接通SiC-MOSFET時諧振源－汲極電壓如何變化。採用準諧振工作，可最大限度地降低開關損耗和EMI。輕載時(Pout=5W時)的Burst工作模式結束後，轉為準諧振工作模式。透過跳過很多波谷來控制頻率。當輸出負載增加(Pout=20W時)時，波谷數量減少，頻率上升。當接近規定的最大輸出負載(在這種情況下Pout=40W)時，將只有一個波谷。此時，開關頻率達到最大值120kHz。
另外，為了延長一次側的開關導通時間，可以稍微降低開關頻率並提高輸出功率的要求。這樣，一次側電流峰值增加，傳輸的能量也增加(Pout=40W時)。當超過最大輸出功率時，過電流保護功能工作並阻止開關動作，以防止系統過熱。
首先，評估板因有兩個工作點而以不連續導通模式(DCM)工作。然後，在最後一個工作點(40W)時正好達到臨界導通模式(BCM)。根據不同的輸入電壓，DCM和BCM在不同的輸出功率進行開關。
圖6左側是對於不同的輸入電壓，在最大40W的負載範圍輸出12V電壓時的效率。如圖6右側所示，透過測量可知SiC-MOSFET的外殼溫度保持在90℃以下，SiC-MOSFET的最大額定結溫為175℃。晶片－外殼間的熱阻遠遠低於外殼-環境間的熱阻，因此只要是接合面溫度低於上限值的外殼即可以說是安全的。這表明該評估板即使在高達40W的輸出功率條件下，毋需散熱器也可工作。另外，如果對SiC-MOSFET增加散熱器來冷卻輸出整流二極體，則可以實現更高的輸出功率。
這裡提供的是各DC輸入電壓的測量值，利用400/480V的三相AC電源也可運行評估板，PCB上安裝整流所需的二極體電橋。綜上所述，準諧振工作有助於將開關損耗控制在最低並抑制EMI，電流檢測透過外接電阻進行，另外，透過使用輕載時的重載模式工作和降頻功能，還可實現節能與高效率。
SiC-MOSFET實現小型化/高效率
在需要幾十瓦的簡單且CP值高的三相輸入用單向返馳式解決方案和超過400V的DC輸入電壓條件下，Si-MOSFET並不適用，因為大電壓Si功率MOSFET的性能較低。此外，也不建議使用雙向返馳式或堆疊式MOSFET等設計複雜結構的輔助電源，因為非常費時費力，這部分的時間與精力應該用在主電源系統的設計上。
而利用1700V SiC-MOSFET和相關控制IC，不僅能夠設計三相系統用或高DC輸入電壓用的簡單輔助電源，而且還可以發揮出較好的性能。利用SiC-MOSFET的技術，設計人員可提高產品的效率、簡潔性、可靠性並實現小型化；而控制IC經過最佳化後可安全地驅動SiC-MOSFET，同時能夠減輕設計負擔，可縮短將系統產品投入市場的研發週期，是極具突破性的解決方案。
