Wykorzystanie MOSFET na węgliku krzemu w trybie quasi-rezonansowym do zmniejszenia kosztów i rozmiarów pomocniczych zasilaczy

Przetwornica wykorzystywana w systemach przemysłowych, takich jak inwertery fotowoltaiczne, zasilacze awaryjne (UPS) czy napędy silników przemysłowych, zazwyczaj wymaga pomocniczego źródła zasilania. Dostarcza on moc do układów peryferyjnych systemu, takich jak mikrokontroler, wyświetlacz LCD, czujniki i wentylatorek. Zasila też sterowniki bramki w głównym obwodzie zasilacza.

Dodatkowe zasilacze zazwyczaj dostarczają moc do 40 W i niskie stałe napięcie wyjściowe. Standardową topologią stosowaną do ich realizacji jest flyback, a trójfazowe systemy zazwyczaj pracują z napięciami wejściowymi do 480 V (AC) lub 900 V (DC).

Tak opisany system narzuca istotne wymagania na przełącznik zasilania dodatkowego zasilacza. Ze względu na wysoką maksymalną wartość napięcia występującego po stronie pierwotnej, zazwyczaj wymagany jest przetwornik o napięciu znamionowym powyżej 1500 V. Użycie w takiej sytuacji standardowego tranzystora MOSFET stwarza znacznie problemy. Projektant ma do wyboru dwie niezbyt korzystne opcje:

• Podłączyć szeregowo kilka układów o niższym napięciu – to zwiększa złożoność i liczbę elementów systemu, rozmiary i koszt komponentów.
• Wykorzystać tranzystor MOSFET przeznaczony do pracy z napięciami 1500 V, który jednak wprowadza znaczne straty i wymaga dużego oraz drogiego radiatora.

Adaptacja wysokonapięciowego tranzystora MOSFET wykonanego na podłożu z węgliku krzemu (SiC) zamiast tranzystora krzemowego eliminuje te problemy. Tranzystory MOSFET wykonane z SiC o napięciu znamionowym 1700 V są dostępne w ofercie ROHM Semiconductor w obudowie do montażu powierzchniowego (TO-268-2L) lub w pełni izolowanej obudowie TO-3PFM – zostały przedstawione na rys.1. Układy mają ponadto wydłużony odstęp izolacyjny, odpowiednio 5 oraz 5,45 mm.

Rys.1. Tranzystory MOSFET SiC firmy ROHM są dostępne w dwóch wariantach obudów.

Aby zademonstrować lepsze parametry pomocniczych zasilaczy wykorzystujących tranzystory MOSFET SiC, firma ROHM opracowała płytkę projektową, które może zasilać urządzenia peryferyjne za pomocą przetwornicy. Dostarcza ona moc do 40 W i maksymalne napięcie 12 V. Płytka o nazwie ROGM AUX jest oparta na topologii flyback i wykorzystuje układ MOSFET SiC o napięciu znamionowym 1700 V jako główny klucz, natomiast układ SCT2H12NZ jest quasi-rezonansowym kontrolerem flyback. Zadaniem kontrolera jest minimalizacja strat dynamicznych w układzie MOSFET SiC i tym samym obniżenie temperatury urządzenia.

Rys.2. Widok płytki ewaluacyjnej ROHM AUX z góry i z dołu

Płytka może pracować zarówno ze stałym, jak i zmiennym napięciem zasilania – pobiera zasilanie bezpośrednio z sieci lub ze składowej stałej zasilacza, na przykład na wyjściu stopnia PFC. W przypadku projektów zasilanych z sieci napięcia wejściowe mogą zmieniać się w szerokim zakresie od 210 do 690 V. Możliwość zasilania płytki z różnych źródeł jest przydatna w przypadku zasilaczy awaryjnych i silników przemysłowych, które często dostarczają do pomocniczego zasilacza napięcie z sieci.

W przypadku systemów zasilanych napięciem stałym dopuszczalny zakres wynosi od 300 do 900 V.  W systemie wykorzystującym inwertery słoneczne możliwe jest zasilenie dodatkowego zasilacza bezpośrednio z panelu słonecznego, jak też z wyjścia przetwornicy.

Kontroler quasi-rezonansowy BD7682FJ-LB znajdujący się na płytce ewaluacyjnej AUX stanowi kompaktowe i efektywne rozwiązanie, które spełnia wymagania tranzystora MOSFET SiC. Układ pracuje ze zmienną częstotliwością do 120 kHz – jest ona regulowana w zależności od obciążenia. Zalety takiego rozwiązania są widoczne na rys.4 – jest to wykres napięcia dren-źródło dla różnych mocy wyjściowych.

Czas włączania jest zmieniany dynamicznie, aby zapewnić, że klucz załącza się jedynie w minimum rezonansowym. To pozwala zminimalizować straty przełączania tranzystora MOSFET SiC, prowadząc do obniżenia temperatury pracy i zwiększenia sprawności systemu. W przypadku braku obciążenia kontroler przechodzi w tryb burst, aby obniżyć straty energii.

Układ BD768xFJ-LB mieści się w kompaktowej obudowie SOP8-J8. Jest prosty w obsłudze, oferując wiele funkcji i zabezpieczeń:

• Pomiar prądu zrealizowany za pomocą rezystora bocznikującego włączonego szeregowo z tranzystorem MOSFET SiC.
• Ochrona przed przeciążeniem wykorzystująca miernik prądu prądu.
• Funkcja maskowania zapobiega niepoprawnemu pomiarowi napięcia na uzwojeniu.
• Sterowanie quasi-rezonansowe pozwala zapewnić niskie straty dynamiczne i niski poziom interferencji elektromagnetycznych.
• Tryb obniżonej częstotliwości zwiększa sprawność przy małych obciążeniach.
• Tryb burst w warunkach braku obciążenia obniża pobór prądu w stanie spoczynku.
• Ochrona wyjścia przed nadmiernym napięciem
• Łagodny rozruch
• Zabezpieczenie przed spadkiem napięcia na wejściu
• Zintegrowany sterownik tranzystora MOSFET SiC

Rys.3. Schemat płytki ewaluacyjnej ROHM AUX

Rys.4. Pomiary napięcia dren-źródło przy różnych obciążeniach. Jedna działka oznacza 200 V

Rys.5. Sprawność płytki ewaluacyjnej AUX w zależności od obciążenia i napięcia wejściowego

Wyniki pomiarów parametrów systemu

 Wykres na rys.5 przedstawia sprawność płytki ewaluacyjnej AUX pracującej z trzema wartościami stałych napięć wejściowych: 300 V, 600 V i 900 V. W każdym przypadku sprawność została zmierzona w zależności od mocy wyjściowej od 0 do 40 W. Przy najniższym napięciu wejściowym 300 V ochrona przed przeciążeniem włączyła się powyżej mocy 30 W.

Przy napięciu wejściowym 300 V maksymalna sprawność osiąga 87%. Przy wyższych napięciach rosną straty na dzielnikach rezystancyjnych występujących w obwodzie. To oznacza, że sprawność nieco maleje wraz ze wzrostem napięcia. Mimo to sprawność utrzymuje się powyżej poziomu 80% dla niemal wszystkich obciążeń.

W całym zakresie obciążenia dla wszystkich napięć maksymalna zmierzone temperatura tranzystora MOSFET wyniosła 80°C. Maksymalna dopuszczalna temperatura złącza układu SCT2H12NZ wynosi 175°C, zatem ten obwód testowy będzie działał bez potrzeby stosowania radiatora.