换器拓扑|如何正确使用合适的功率器件以满足工业电源要求( 二 )
SiC 开关器件功率处理能力的一个实例是 ROHM Semiconductor 的 SCT3105KRC14，1200 V、24 A 的 N 沟道 SiC 功率 MOSFET，RDS 典型值为 105 mΩ。该器件具有良好的热阻特性，相对于施加的脉冲宽度能够迅速达到最大值。
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分立式与集成式电源设计
功率水平较低时，一种做法是选择整合了转换器稳压器与相关功率开关器件的 IC。该做法的优势在于稳压器与功率器件的互连有助于优化电路，而不可避免的寄生效应特征也在规格书中有所描述。此外，如图中 ROHM 的 BD9G341AEFJ-E2 所示，这款内置 150 mΩ 功率 MOSFET 的降压开关稳压器最大限度地减少了对外部元器件的需求。
这款小型 HTSOP-J8 器件尺寸为 4.9 × 6.0 × 1.0 mm，非常适合工业分布式电源应用。该器件的输入电压范围为 12 V 至 76 V，输出电流可达 3 A。电流模式架构提供了快速瞬态响应和简单的相位补偿设置，开关频率范围为 50 kHz 至 750 kHz，支持用户设置。
随着功率水平提高，功率器件封装的重要性随之提升，单独使用分立器件的难度也相应增大。在这种情况下，两个或多个功率器件的预封装模块是更受青睐的选择。例如，ROHM 的 BSM300D12P2E001 是一款 1200 V、300 A 的半桥模块，具有两个 SiC 双扩散 MOSFET和 SiC 肖特基势垒二极管。
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在单个模块中整合 MOSFET 及其二极管可优化整个组件的性能，该模块尺寸约为 152 mm 长 × 62 mm 宽 × 17 mm 高，看似一块细长的砖。此外，该模块还包括独立温度传感器，可监控器件散热情况，同时其结构有助于热管理——此电压和电流组合下的重要考虑因素，因为该模块可轻松实现器件与电路板或散热器的物理连接，具备机械完整性并确保与电源线的稳固连接。
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驱动器对转换器的有效运行至关重要
无论是基于硅还是 SiC 的 MOSFET 通断，都必须慎重考虑诸多相关细节：栅极驱动电压、电流、压摆率、瞬态特性、过冲、输入电容、电感以及许多其他静态和动态因素。栅极驱动器可用于连接控制处理器输出的相对简单的低电平信号与开关器件的栅极输入。这种特殊电源转换器的输出与功率器件的负载要求相对应。
对于半桥或全桥等常用配置下的一对开关器件，驱动器模块还须确保高端和低端器件不会同时导通，即使只是瞬间，因为这会导致电源轨接地。此外，在某些功率器件应用中，功率器件路径中单条或两条都必须与系统地进行电气隔离，同时仍需为其提供相应的性能。
为了满足这些要求，一些功率器件供应商推出了驱动器 IC，专用于其提供的某个或多个开关器件。例如，Tamura/ROHM 的 2DU180506MR02 半桥栅极驱动器 IC 的特性和功能与上述 ROHM 半桥模块互补，可降低驱动该模块的难度，并且添加了各种保护模式。
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该栅极驱动器模块封装高度仅为 24 mm，安装于 65 mm × 100 mm 的电路板上。该电路板的连接器可用于直流电源、处理器接口和电源模块驱动器。此外，该栅极驱动器还提供至关重要的监控功能，几乎所有功率器件都有这方面的需求，尤其是面向大功率工业应用的器件。这些功能包括过载保护、过热保护、欠压锁定和栅极驱动故障指示灯。
其他半桥栅极驱动器则更为通用。ROHM 的 BM60212FV 是一款 1200 V 高端和低端栅极驱动器 IC，适用于 N 沟道 MOSFET 和 IGBT。该器件使用无铁芯变压器来提供磁隔离，从而实现高端所需的电平转换。但是，由于内部其他功能并未隔离，因此仍归类为非隔离式栅极驱动器。
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这款小型器件采用 SSOP-20W 封装，尺寸为 6.5 × 8.1 × 2.0 mm，兼容 3 V 和 5 V 驱动信号，具有欠压锁定等功能。请注意，该 IC 通过了 AEC-Q100 认证，即符合严苛的汽车可靠性标准。尽管“通过汽车级标准鉴定”而非“工业级”，但是一些设计人员更倾向于在 BOM 中指明通过了 AEC-Q100 认证的器件，藉此强调其产品可靠性可满足工业应用的苛刻环境条件。这些环境条件包括电涌和 EMI/RFI、极端温度的热应力以及热循环和振动导致的机械故障。
电流测量
在许多电源转换器设计中，需要了解从输出端流向负载的电流，而且这在几乎所有工业应用中都至关重要。在某些情况下，需要利用该电流值为转换器提供反馈以实现闭环性能；在工业环境中，还需监控负载以及电机失速或故障等情况。连续实时测量电流的一种方式是检测负载串联的电阻两端的电压。通常称之为分流电阻器，但是在这种情况下该电阻器的作用并非如此。
从概念上说，这种电流测量方式只是单纯应用欧姆定律而已。然而，在大电流工业转换器设备等实际应用中，却面临着诸多挑战。首先，设计人员必须确定适当的电阻值。此时就需要进行权衡：电阻器阻值较大则 IR 压降更大，可藉此提高分辨率和抗噪性，但同时耗散功率也更大，以致降低负载的轨电压，并且可能对控制器/负载回路的稳定性产生不利影响。
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