题记：本文详细比较了在 3KW 半桥 LLC 转换器中Si 和 SiC MOSFET的模型和性能。
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。宽带开关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。本文提供了在具有宽输入电压范围的 3KW 半桥 LLC 转换器中的Si 和 SiC MOSFET 器件建模的详细比较。
《IGBT器件：绝缘栅双极晶体管的物理、设计和应用》
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器件。
半桥LLC谐振转换器的工作原理图
半桥LLC谐振转换器的工作原理图
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 不会交叉传导并支持两个 MOSFET 的软开关（即满足导通时的零电压开关 ZVS条件）。
《先进的功率 MOSFET 概念》
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 fR1 大于 fR2。 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
初级侧的传导功率损耗位于功率 MOSFET、谐振电容器 Cr 和变压器中。在次级侧，损耗位于次级整流器以及输出电容器中。
开关损耗主要存在于功率 MOSFET 中。重负载时的开关电流值是在确保两个 MOSFET 的零电压开关 (ZVS)条件 的需要与其关断损耗之间的权衡。开关电流越高，ZVS 的裕度就越高。
具有 Si 和 SiC MOSFET 的半桥 LLC 谐振转换器
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品。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。
《使用全区域 MOSFET 建模的 CMOS 模拟设计》
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)
使用 Si 和 SiC MOSFET 的半桥 LLC 谐振转换器的比较分析
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。
与硅 (Si) MOSFET 相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 的性能更高
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：
硅和碳化硅 (Si) 开关的效率分析
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) 显示了输入电压与效率变化分析。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。
《智能电子系统：硅和印刷电子的异构集成》
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。
