AC-DC｜設計篇
設計中使用的電源IC：專為SiC-MOSFET最佳化
2019.06.20
重點
・在使用電源IC的設計中，要使用SiC-MOSFET需要專用的電源IC。
・SiC-MOSFET和Si-MOSFET的閘極驅動電壓VGS不同。
・設計中使用了SiC-MOSFET驅動用AC-DC轉換器控制IC：BD7682FJ-LB。
本文將從設計角度首先對在設計中使用的電源IC進行介紹。如“前言”中所述，本文中會涉及“準諧振轉換器”的設計和功率電晶體使用“SiC-MOSFET”這兩個新課題。因此，設計中所使用的電源IC，是可將SiC-MOSFET用作開關的準諧振轉換IC。
在使用電源IC的設計中，要使用SiC-MOSFET需要專用的電源IC
設計中使用的電源IC是ROHM的“BD7682FJ-LB”這款IC。BD7682FJ-LB是AC-DC轉換器用的準諧振控制器，是全球首款*專為驅動SiC-MOSFET而最佳化的IC。（*截至2015/3/25的資料）
您可能已經注意到，開關要使用SiC-MOSFET時，需要為將SiC-MOSFET用作開關而專門設計的電源用IC。這意味著SiC-MOSFET的閘極驅動與Si-MOSFET是不同的。您可能馬上會問“有什麼不同呢？”，在介紹電源IC之前，先來瞭解一下SiC-MOSFET與Si-MOSFET的閘極驅動的不同之處。
主要的不同點是SiC-MOSFET在驅動時的VGS稍高，內部閘極電阻較高，因此外接閘極電阻Rg需要採用小阻值。Rg是外接電阻，屬於電路設計的範疇。但是，閘極驅動電壓絕大多數情況下都取決於IC的規格，因此雖然不是沒有方法，但選用專為SiC-MOSFET用而最佳化的電源IC應該是上策。
具體一點來講，在規格方面，一般的IGBT或Si-MOSFET的驅動電壓為VGS＝10V～15V，電源IC以“AC-DC PWM方式返馳式轉換器設計手法”篇中使用的AC-DC轉換器用PWM控制IC：BM1P061FJ為例，其閘極驅動電壓（OUT引腳H電壓）為10.5V（min）～14.5V（max），typ為12.5V。
對此，SiC-MOSFET的VGS為20V以上，並逐漸飽和，因此一般建議使用VGS＝18V左右進行驅動。此次使用的BD7682FJ-LB的閘極驅動電壓（OUT引腳鉗位元電壓）為16.0V（min）～20.0（max），typ為18.0V。
下圖是BM1P061FJ的設計過程中使用的N-ch 800V 5A的Si-MOSFET：R8005ANX（左）和此次使用的N-ch 1700V 3.7A的SiC-MOSFET：SCT2H12NZ（右）的導通電阻與VGS特性比較圖。從比較圖中可以看出，上述IC的閘極驅動電壓在每種MOSFET將要飽和前變為VGS。
由於該比較不是在同等規格和條件下的比較，因此請當做用來理解上述VGS之不同的資料使用。
設計中所使用的電源IC：SiC-MOSFET驅動用AC-DC轉換器控制IC：BD7682FJ-LB
通過前面的說明，相信您已經理解了BD7682FJ-LB作為SiC-MOSFET用IC最重要的關鍵點，接下來介紹其概要和特點。
＜特點＞
- 小型8引腳SOP-J8封裝
- 低EMI準諧振方式
- 降頻功能
- 待機時消耗電流低：19uA
- 無負載時消耗電流低（輕載時採用猝發模式工作）
- 最高頻率（120kHz）
- CS引腳Leading-Edge Blanking（前緣遮蔽）
- VCC的UVLO保護和OVP保護
- 逐週期過電流保護電路
- 緩啟動
- ZT觸發器遮罩功能及OVP保護
- 輸入欠壓保護功能（掉電）
- SiC-MOSFET用閘極鉗位元電路
＜重要特性＞
- 工作電源電壓範圍（VCC）：15.0V～27.5V
- 正常工作電流： 0.80mA（typ.）
- 猝發模式時工作電流： 0.50mA（typ.）
- 最高振盪頻率： 120kHz（typ.）
- 工作溫度範圍： -40℃～105℃
主要的特點是SiC-MOSFET適用和準諧振方式。準諧振方式利用緩開關工作，與PWM方式相比，具有低雜訊、高效率、可降低EMI的優點。
另外，還內建多種保護功能，在690VAC這樣的高電壓條件下也可工作，可支援廣泛的工業裝置應用。其中包括電源電壓引腳的過壓保護、輸入電壓引腳Brown-In / Brown-Out（低電壓輸入動作禁止功能）、過電流保護、二次側電壓過壓保護等。
在高耐壓應用中，與Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET具有開關損耗及傳導損耗少、溫度帶來的特性波動小的優點。這些優點有利於解決近年來的重要課題–節能化和小型化，比如有助於提高功率轉換效率，可實現散熱器的小型化，可高頻工作從而實現變壓器和電容的小型化等。
右圖是在AC-DC轉換器中SiC-MOSFET與Si-MOSFET的效率比較。如圖所示，預計可實現高達6%的效率提升。
另外，除此次使用的BD7682FJ-LB之外，根據FB引腳超載保護、VCC引腳過壓保護功能，還有另外3種不同機型。
| FB引腳OLP | VCC引腳OVP | |
|---|---|---|
| BD7682FJ-LB | AutoRestart | Latch |
| BD7683FJ-LB | Latch | Latch |
| BD7684FJ-LB | AutoRestart | AutoRestart |
| BD7685FJ-LB | Latch | AutoRestart |
最後，雖然與特性和性能沒有直接關係，也在此提一下，這些產品是針對工業裝置市場的、保證長期供應的產品。作為具備卓越性能和工業裝置所需保護功能等的電源IC，這樣的支援也是非常重要的。
下一篇文章將對準諧振方式進行介紹。
AC-DC
基礎篇
設計篇
-
採用AC-DCPWM方式的返馳式轉換器設計方法概要
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：所謂反馳式轉換器的特徵
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：返馳式轉換器的運轉和緩衝
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：所謂不連續模式和連續模式
- 設計步驟
- 決定電源規格
- 選擇設計上所使用的IC
- 所謂隔離型返馳式轉換器
- 絕緣型返馳式轉換器的基本概念：所謂開關AC-DC轉換
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（算出數值）
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（設計構造）－之1
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：設計變壓器（設計構造）－之2
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件－MOSFET相關之1
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件－MOSFET相關之2
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件－CIN和緩衝電路
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件−輸出整流器和Cout
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件−IC的VCC相關
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：決定主要零件−設定IC、其他
- 設計絕緣型返馳式轉換器電路：EMI對策和輸出雜訊對策
- 機板配線範例
- 彙整
- AC-DC 非隔離型降壓轉換器的設計案例概要
-
使用SiC-MOSFET的隔離型準諧振轉換器的設計案例 前言
- 設計中使用的電源IC：專為SiC-MOSFET最佳化
- 設計案例電路
- 變壓器T1的設計 其2
- 變壓器T1的設計 其1
- 主要零件的選型：MOSFET Q1
- 主要零件的選型：輸入電容和平衡電阻
- 主要零件的選型：用來設定過負載保護點切換的電阻
- 主要零件的選型：電源IC的VCC相關零件
- 主要零件的選型：電源IC的BO（Brown-out）引腳相關零件
- 主要零件的選型：緩衝電路相關零件
- 主要零件的選型：輸出整流二極體
- 主要零件的選型：輸出電容、輸出設定及控制零件
- 主要零件的選型：MOSFET閘極驅動調整電路
- 主要零件的選型：電流檢測電阻及各種檢測用引腳相關零件
- 主要零件的選型：EMI及輸出雜訊對策零件
- PCB板佈局範例
- 案例中的電路和零件清單
- 評估結果：效率和切換波形
- 小結
-
提高AC/DC轉換器效率的二次側同步整流電路設計 前言
- 設計步驟
- 用於設計的IC
- 電源規格和替代電路
- 同步整流電路部分：同步整流用MOSFET的選型
- 同步整流電路部分：電源IC的選擇
- 同步整流電路部分：週邊電路零件的選擇－DRAIN引腳的D1、R1、R2
- 同步整流電路部分：週邊電路零件的選型－MAX_TON引腳的C1、R3以及VCC引腳
- 分流穩壓器電路部分：週邊電路零件的選擇
- 故障排除(Trouble Shooting)①：當二次側MOSFET立即關斷時
- 故障排除(Trouble Shooting) ②：當二次側MOSFET在輕載時因諧振動作而導通時
- 安裝PCB板佈局相關的注意事項
- 總結
- 二極體整流和同步整流的效率比較
- 故障排除(Trouble Shooting) ③：當VDS2受突波影響超過二次側MOSFET的VDS耐壓時
評估篇
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