使用寬帶隙半導體材料(如碳化硅或氮化鎵)制造的電源開關現在在電力變換器中得到了廣泛應用。SiC晶體管的高速開關特性以及低反向恢復電荷，或氮化鎵HEMT的零反向恢復電荷，使設計師能夠制造比基于硅的替代品更小且高效的電力系統。

然而，盡管氮化鎵和碳化硅有如此多的優勢，這些開關類型與經過驗證的硅MOSFET或IGBT相比仍顯得有些陌生。Future Electronics開發的GaNdalf II(2-kW無橋柱狀PFC階段)和GaNSTar(500-W LLC變換器)等參考和演示設計可以為首次接觸基于氮化鎵和碳化硅電源開關項目的設計師提供有用的藍圖。

現在，Future Electronics位于倫敦的電源系統設計實驗室實現了一種基于SiC MOSFET的設計，適用于3-kW LLC電源，將標稱390-VDC輸入降至49-VDC標稱輸出。

在SiC MOSFET以250 kHz的高速開關下，這種新的SoniC演示設計板與基于3-kW硅MOSFET設計相比，能夠實現約30%的總體空間節省，而后者的最大開關頻率通常不超過100 kHz。SoniC板的快速開關性能使得可以使用更小的磁性元件和電容器。

設計團隊的設計原則是使用標準現成組件，或者在變壓器的情況下，采用任何中小型OEM可以低成本生產的傳統設計。該設計還避免了采用不常規的磁性組件組裝方法，例如次級的銅帶或平面磁性設計和構造。

通過SoniC板，Future Electronics開發了一種成功的架構，在滿載時實現97.4%的峰值效率。

針對大眾市場的3-kW LLC變換器設計

該板的物料清單(BOM)由OEM可以通過分銷渠道輕松獲得的組件組成：

· 四個onsemi NTH4L045N065SC1650-V SiC MOSFET開關，位于初級側，其在15 V門源電壓下的典型導通電阻為45 mΩ。

· 四個onsemi NCD57000隔離高電流門驅動器，位于初級側。

· 一個繞制的線圈和核心變壓器以及獨立的繞制線圈和核心諧振電感。

· 一個現成的onsemi NCP4390 LLC控制器——一種用于具有同步整流的LLC諧振變換器的先進脈沖頻率調制(PFM)控制器，采用充電控制技術。

· 八個onsemi FDMT80080DC 80-V MOSFET，由四個onsemi NCP51530半橋驅動器和四個NCP4308同步整流控制器驅動。

使用250 kHz開關的SiC MOSFET使得比基于硅MOSFET的3-kW變換器可以使用更小的諧振電感和變壓器，從而比全硅設計節省約30%的空間(見圖2)。

在實現寬帶隙半導體技術以產生空間和重量節省時，設計師必須在SiC和GaN之間進行選擇。在SoniC設計中，Future Electronics的工程師選擇了在初級側使用SiC，因為多家設備制造商提供的高壓SiC產品廣泛可用。

在今天的SiC生產技術日益成熟和質量提高的標志中，對變換器初級側的測試顯示出無故障性能。在軟開關拓撲中，onsemi的SiC MOSFET及其驅動器在250 kHz下保持穩定和可靠的操作(見圖3)。

全橋配置在次級側實現穩定操作

引入SiC功率開關并未給實現小型高功率LLC DC/DC變換器帶來任何困難。但要實現30%的體積減少，系統需要在高頻下運行——在滿負載下為250 kHz，并且在啟動時可能高達690 kHz，在輕負載操作中可達500 kHz。支持高達690 kHz開關頻率的onsemi NCP4390 LLC電源控制器是該應用的理想選擇。它是LLC諧振變換器的PFM控制器，具有同步整流功能。它采用電流模式控制技術，這提供了比電壓模式控制更好的功率級控制到輸出傳遞函數，簡化了反饋回路的設計。

然而，在SoniC板設計的早期迭代中，高開關頻率在變壓器中引發了一些問題。

SoniC板的架構采用標準的LLC變換器實現，使得OEM可以大規模生產。這種架構通常會在次級側使用半橋電路(或中心抽頭變壓器)以優化DC/DC階段效率。

但是，嘗試在次級側使用中心抽頭變壓器配置導致了過多的振鈴現象，電源開關的漏極-源極電壓開關波形的峰值電壓超過了原硅MOSFET的150 V額定值。價格、可獲得性和效率問題使得使用額定電壓超過150 V的MOSFET變得不可行。

然而，當設計修改為在次級側使用全橋配置時，振鈴問題消失了。這使得可以使用80-V硅MOSFET，其導通電阻低于150-V MOSFET，從而有潛力減少導通損耗。

實際上，在測試中，SoniC板在滿載下的最低效率達到了97%，在10%到100%的負載范圍內達到了93%(見圖4)。

由于SoniC板的模塊化和靈活設計，Future Electronics設計團隊能夠在不更改變壓器設計的情況下，改變次級側的全橋實現。由于次級側以全橋模式運行，由于硅MOSFET的低導通電阻，很難在3 kW下實現同步操作，而這是實現轉換效率目標所必需的特性。盡管如此，在不連續導電模式下，SoniC板在LLC變換器的共振頻率以下達成了有效操作。這適合于各種高功率應用。

但是，如果需要，設計可以修改以使LLC變換器在共振頻率以上的連續導電模式下運行，以支持超過390 V的輸入電壓。有兩個選項：

· 將NCP4390靠近次級側硅MOSFET，以減少干擾并改善漏源電壓檢測。NCP4390具有設置，允許設計師定義最小死區，支持更長的MOSFET反向恢復時間。

· 將NCP4308替換為支持更長死區操作的替代同步整流控制器，例如onsemi NCP4306或STMicroelectronics SRK2001。

新組件可能會增強SoniC變換器的設計

Future Electronics提供的SoniC板展示了onsemi SiC MOSFET在高功率LLC變換器中以高開關頻率運行時的穩定高效操作。新型更先進組件的出現為進一步提升SoniC板的高性能提供了潛力。

一個選項是升級次級側使用的硅MOSFET。原始SoniC板使用的是開發時可用的最佳onsemi硅MOSFET，但此后已被基于onsemi新工藝技術開發的T10家族取代。80-V NTMFWS1D5N08X MOSFET適合在SoniC的全橋配置中使用。使用這個T10 MOSFET的優點在于，由于其較低的反向恢復電荷，開關性能得以改善。導通電阻也低于onsemi MOSFET的前幾代，預示著系統效率的提高。

展望未來，第二個選項是研究在次級側使用150-V GaN FET的可能性，形成半橋配置。這些GaN開關最顯著的特點是沒有反向恢復電荷;基于這些器件的半橋電路將不會出現使用150-V硅MOSFET的半橋配置中的振鈴現象。

今天，這種低壓GaN開關的供應仍然有限，同時單位成本和導通電阻均高于其硅對應物。GaN FET的封裝樣式和尺寸選擇也遠小于硅MOSFET。

但是，GaN器件制造商的生產路線圖表明，供應情況將顯著改善，設計工程師可以選擇的產品組合預計將在未來幾個月內擴大。

這些對Future Electronics設計藍圖的修改選項為提高效率和降低BOM成本提供了一定的希望。然而，即使在目前的形式下，SoniC板也明確證明，在高功率LLC DC/DC變換器階段使用SiC MOSFET能夠實現顯著的30%空間節省，同時在不使用任何外來組件或非標準拓撲的情況下實現穩定運行和高效率。