理想开关带来了自身的挑战

发布时间：2023-05-05 10:40:31

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

分享到：

以下文章来源于Qorvo Power ，作者UnitedSiC现Qorvo

在使用具有超快边缘速率的理想半导体开关时，我们会遇到电压过冲和振铃问题。了解面向 SiC FET 的简单 RC 缓冲电路如何解决这些挑战并进一步提高效率。

这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布，该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商，它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。

当您询问电源转换器设计人员有关半导体开关的要求时，他们可能会这样回答：“低导通电阻、高断开电阻以及两种状态之间尽可能快速的过渡。”简单地说，他们想要实现更低的功耗。SiC FET 非常接近这种理想状态，其 750V 级别的导通电阻不到 6 毫欧，边缘速率在纳秒范围内，而且在多千瓦范围内，转换器和逆变器的效率有望超过 99.5%。

如果稍加思考，设计人员还会 “顺便” 提出其他一些要求，比如：简单的栅极驱动、较高的额定电压、有效的第三象限运行、较高的雪崩能量和短路额定值、较低的热阻、较低的系统成本等。幸运的是，SiC FET 刚好具有这些基本特性，而且其品质因数也十分出色。

但设计人员将 SiC FET 放在电路测试板中以最高边缘速率进行测试时，电路板却冒烟了。“当时的电源电压远低于最大值，且只有轻负载！”但是当时的线路电感和连接电感是多少呢？根据我们熟悉的方程式 V = -L.di/dt，在电感仅为 100nH 的情况下，较高的电流边缘速率 3000A/µs 会产生 300V 的电压尖峰，同时会在 SiC FET 失效前的短时间内，给开关施加应力并触发持续数微秒的高频振铃，从而抑制本地无线电接收。

所以说，除非我们努力实现零连接电感，或疯狂地过度指定额定开关电压，并支持强电磁干扰滤波，否则就得控制边缘速率，并抑制振铃。一直以来，限制电压尖峰的传统方法是增加串联栅极电阻 RG(OFF)，但这种方法也并非万全之策。增加栅极电阻会给栅极驱动波形带来延迟，从而限制占空比和高频运行——这便能体现出宽带隙开关的其中一个主要优势。此外，栅极电阻还会显著增加开关损耗，且对振铃也几乎没有什么影响。

更优的解决方案是使用简单的 RC 缓冲电路。您可能会对使用 IGBT 时通常需要大型热电阻-电容网络的想法心存疑虑，但对于 SiC FET 来说，情况就不一样了。那个想法主要是希望减少连接电感与器件电容之间的谐振，而使用 SiC FET 时的谐振非常低。这意味着，通常只需 200pF 左右的电容（2 倍或 3 倍 Coss(er)）以及几欧姆的串联电阻即可提供阻尼。缓冲电阻会耗散一些功率，但该网络可减少硬开关和软开关应用中的关断电压和电流的重叠，所以这种转换的损耗实际上比较小。

缓冲电路在导通时会耗散一些功率，因此综合考量，应考虑总损耗 E(ON) + E(OFF)。图中显示的是器件电阻为 40 毫欧时的 E(TOTAL)。蓝色线表示未使用缓冲电路，其 RG(ON) 和 RG(OFF) 均为 5 欧姆。黄色线表示采用了 200pF/10 欧姆的缓冲电路，其 RG(ON) 为 5 欧姆，RG(OFF) 为 0 欧姆。在 40kHz 条件下运行时，使用 40 A 缓冲电路的优势非常明显，功耗降低约为 10.9W。在轻负载应用中，情况正好相反，但这些水平的系统功耗较低。

缓冲电路是一个不错的解决方案，但是否不太方便实践呢？如果评估典型应用中缓冲电路电阻所吸收的能量，可能会以为每个周期大约吸收 120µJ，相当于在 40kHz 条件下超过了 5W。然而测试表明，电路导通时，大部分能量耗散在 SiC FET 信道中，因为转换过程发生在其信道的线性区域中，而不是在缓冲电路电阻中。这样一来，在缓冲电路中使用功率为 1W 的电阻通常就足够了，通常表面贴装型缓冲电路便能达到这一功率水平。而且电容器比较小。

如今，设计人员可以在其实现完美开关的愿望清单中愉快地勾选另一选项，即一种易于控制、成本低廉，可在不影响其他优势的情况下减少过冲和振铃的器件。

SiC FET

https://unitedsic.com/group/sic-fets/

750V 级别

https://info.unitedsic.com/gen4

本文转载自Qorvo半导体微信公众号

继续阅读

UWB技术：车辆定位新纪元，未来已来

UWB技术在车辆定位、无线通信和智能驾驶中扮演关键角色。其高精度ToF测量法为车辆内外定位提供支持，实现个性化服务、自动泊车等功能。同时，UWB技术允许车辆与手机等设备通信，实现远程控制及车辆间协同工作，提升道路交通效率和安全性。未来，UWB将追求更高精度、低功耗和与其他无线技术的融合，以实现更广泛应用。此外，UWB技术将探索智能感知和决策功能，结合AI和ML算法实现智能控制，并推动标准化进程以降低成本和门槛，促进全球普及。

UWB破局之道：技术瓶颈与升级秘籍

UWB（超宽带）技术在室内定位领域具有高精度的优势，但高昂的设备和人力成本以及复杂环境下的性能挑战限制了其广泛应用。在确保定位精度的同时，成本控制成为关键。UWB系统需要具备智能、自适应的算法来应对多径衰落等复杂环境挑战，并通过硬件底层优化平衡性能与功耗等指标。此外，UWB技术与其他无线通信技术的融合以及国际标准的制定也是推动其商业化的重要方向。同时，必须重视用户位置信息的隐私保护。

UWB技术揭秘：超宽带，精准定位新境界

UWB（超宽带）技术基于无载波通信技术，通过发射极短时间的窄脉冲（纳秒级别）来传输信息。这些脉冲在时域上尖锐，频域上占据宽频带，因此具有高速数据传输和精确定位能力。UWB系统采用不同调制技术将信息编码到脉冲中，由于脉冲宽度窄，UWB技术在定位和测距应用上表现出色。UWB技术以低功耗、高数据传输速率和定位精度广泛应用于电力巡检、仓储物流、司法监狱监控、工业制造、汽车工业、智能家居和机器人导航等领域，有效提升了管理效率、安全性和运动分析精度。

UWB技术是如何打破传统技术局限，实现全新突破的？

在制造业领域，超宽带（UWB）技术已崭露头角，成为产品和部件定位的革命性工具，提供无与伦比的精确度。虽然获取产品或部件的精确位置信息看似微不足道，但这项技术的重要意义远不止于简单的库存管理——UWB正在改变制造业的未来。

PWM驱动革新：H桥电机电路智能未来已来

随着技术的不断发展，PWM控制H桥驱动电机电路面临着更高的性能要求，特别是在提高电路效率和降低功耗方面。未来，这类电路将趋向智能化、自动化，集成更多传感器和智能控制算法，实现精确灵活的控制。同时，结合云计算、边缘计算等技术，将实现远程监控、故障诊断和预测维护，提高系统可靠性和可用性。集成化和模块化设计将减少制造成本，并提高系统的灵活性和可扩展性。