半桥LLC谐振转换器中Si和SiC MOSFET的比较

高效率是电力电子领域的重要参数之一，也是最具挑战性的参数之一。宽带交换机可以帮助实现这一目标，但它们会增加系统成本。这就是 LLC谐振转换器的用武之地。与其他类型的转换器相比，这种类型的转换器具有更多的优势，因为它提供了高电气隔离、高功率密度、低 EMI 和高效率。此外，LLC 谐振转换器可用于各种应用，如消费电子产品，以及可再生能源应用，如光伏、风能、水力和地热等。本文提供了在 3KW 中建模的 Si 和 SiC MOSFET 的详细比较具有宽输入电压范围的半桥 LLC 转换器。

结果表明，对于高频功率应用，SiC MOSFET 的效率高于 Si MOSFET。由于其低成本优势，Si MOSFET 在低压和低功率应用中仍然是首选。

半桥LLC谐振变换器的工作

图片来源：Adragna、Claudio & Simone、s & Spini、Claudio。（2008 年）。基于谐振回路电流检查的 LLC 谐振转换器的设计方法.. 1361 – 1367. 10.1109/APEC.2008.4522901。

上图显示了半桥 LLC 谐振转换器的电路。它有两个 MOSFET Q1 和 Q2，它们在频率 fs 下以 180º 异相开启和关闭。每个 MOSFET 的导通时间相同，略短于开关周期 Ts = 1/fs 的 50%。事实上，在任一 MOSFET 的关断和另一个 MOSFET 的导通之间也插入了一个小的死区时间 Td。该死区时间对于转换器的运行至关重要，它确保 Q1 和 Q2 不会交叉传导并启用两个 MOSFET 的软开关（即开启时的零电压开关 ZVS）。

谐振回路包括三个电抗元件（Cr、Ls 和 Lp），因此具有两个谐振频率。一个与次级绕组传导有关：只有 Ls 处于活动状态，而 Lp 消失，因为它两端有恒定电压，从次级侧反射回来；它的价值是：

另一个谐振频率对应于次级绕组开路的情况。因为 Ls 和 Lp 实际上串联，所以储能电路从 LLC 变为 LC：

频率f R1大于f R2。fR1 和 fR2 之间的间隔取决于 Lp 与 Ls 的比率：它越大，两个频率之间的距离越远，反之亦然。

半桥 LLC 谐振转换器的功率损耗

The conduction power losses on the primary side are situated in the power MOSFETs, the resonant capacitor Cr, and the transformer. On the secondary side, losses are situated in the secondary rectifiers, and also in the output capacitors.

Switching losses are basically found in the power MOSFET. The value of the switched current at heavy load is a trade-off between the need for ensuring zero voltage switching (ZVS) for both MOSFETs and their turn-off losses. The higher the switched current is, the higher the margin for ZVS will be.

Half-Bridge LLC Resonant Converters with Si and SiC MOSFETs

技术的发展和宽禁带 (WBG) 功率器件的使用，例如硅 (Si) 和碳化硅 (SiC)，为传统方法提供了替代。由于其卓越的开关速度、低开关损耗、更高的效率、更高的功率密度，可以实现更稳健、可靠性更高的系统。高频操作的主要好处是更小的变压器和 EMI 滤波器，以及集成到变压器中的谐振电感器，这进一步减小了转换器的尺寸。由于 ZVS 降低了串扰，即使没有负偏置驱动电压，MOSFET 也能可靠工作，从而降低驱动电路成本。

在进行的仿真中，为碳化硅 (SiC) MOSFET (SCT3080KL) 和硅 (Si) MOSFET (STW45NM50) 建模了一个 3 KW 半桥 LLC 谐振转换器，以分析它们的性能。SiC MOSFET 用于一个模型，而 Si MOSFET 用于另一个模型。该转换器采用频率调制技术进行设计和控制，通过改变频率来控制输出电压。传导损耗、开关损耗和总损耗计算如下：

MOSFET 传导损耗的计算：

Pcond = Irms 2 * Rd * 占空比

计算 MOSFET 的开关损耗：

Psw = (Vin/2)∗ I peak ∗ toff ∗ fsw

所有 MOSFET 的总损耗为：

 Ptotal = 2 * (Pcond + Psw)

图片来源：法鲁克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半桥 LLC 谐振转换器的比较分析。英。过程。2021 年 12 月 43 日。

SiC和SiC在满载和半载时的损耗比较如上图所示。这表明 SiC MOSFET 的开关损耗和传导损耗小于 Si MOSFET。与硅 (Si) MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 的性能更高。

图片来源：法鲁克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半桥 LLC 谐振转换器的比较分析。英。过程。2021 年 12 月 43 日。

上图分别显示了硅和碳化硅 MOSFET 在不同输入电压下的开关损耗和传导损耗。它表明开关损耗随着输入电压的增加而增加。在低电压下，传导损耗最大。结果表明，碳化硅 SiC MOSFET 的开关损耗远低于硅硅 MOSFET。

仿真结果：

图片来源：法鲁克，H.；哈立德，HA；阿里，W。Shahid, I. 使用 Si 和 SiC MOSFET 的半桥 LLC 谐振转换器的比较分析。英。过程。2021 年 12 月 43 日。

上图（a）显示了不同负载下硅和碳化硅（SiC）开关的效率分析。分析表明，在 25% 负载下，采用硅 MOSFET 的转换器的负载效率远低于 SiC MOSFET 转换器。图 (b) 显示了输入电压变化的效率分析。在标称电压下，效率最大，当电压从标称电压升高时，效率降低。

结论

硅 (Si) 和碳化硅 (SiC) 宽带隙器件为各种应用中的高效率、高功率密度和节能提供了巨大的机会。仿真以及捕获的波形展示了半桥 LLC 谐振转换器中碳化硅 MOSFET 优于硅 MOSFET 的卓越性能。与硅 (Si) MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 在高频功率应用中的工作效率更高。然而，在低电压和低功率应用中，Si MOSFET 仍然是首选，因为它们成本低。

审核编辑：刘清