為什么超低阻抗SiC FET受歡迎?它能使系統(tǒng)冷卻運(yùn)行!
發(fā)布時間:2019-12-10 來源:AnupBhalla 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體開關(guān)通常在用于電路設(shè)計(jì)時,能夠在不增加開關(guān)損耗的情況下減小電流傳導(dǎo)期間的損耗,這是其一大優(yōu)勢。在各種電路保護(hù)應(yīng)用中,器件需要連續(xù)傳送電流,較低的傳導(dǎo)態(tài)損耗有利于使系統(tǒng)保持較高的效率,并將產(chǎn)生的廢熱降至最低。如果在這些應(yīng)用中需要放心地使用這些功率開關(guān),必須滿足各種類型的耐用性標(biāo)準(zhǔn)。
在本文中,我們將討論最先進(jìn)的低阻抗功率半導(dǎo)體開關(guān),介紹其關(guān)鍵特性和應(yīng)用優(yōu)勢。這些開是由UnitedSiC開發(fā),采用堆疊式共源共柵(cascode)技術(shù),其中將一個特殊設(shè)計(jì),阻抗低于1mΩ的硅低壓MOSFET堆疊在一個阻抗低于10mΩ的650~1200V常開型碳化硅(SiC) JFET之上。所形成的復(fù)合器件被稱為SiC FET,可以像標(biāo)準(zhǔn)硅器件一樣進(jìn)行驅(qū)動,但是與硅IGBT、硅MOSFET和SiC MOSFET相比,具有許多優(yōu)勢。
什么是堆疊式共源共柵?
與包括SiC MOSFET、硅MOSFET和GaN HEMT在內(nèi)的其他可用功率晶體管相比,常開型SiC JFET的單位芯片面積具有更低的導(dǎo)通阻抗。如圖1a所示,當(dāng)?shù)蛪篗OSFET堆疊在JFET上時,為了實(shí)現(xiàn)圖1b的共源共柵架構(gòu),就形成了低阻抗常關(guān)斷型開關(guān),稱為堆疊式共源共柵,其阻抗是低壓MOSFET和SiC JFET阻抗之和,根據(jù)所選擇的MOSFET和JFET的不同,其阻抗可能比JFET阻抗高5~20%。
圖2顯示了8.6mΩ,1200V堆疊芯片UF3SC12009Z的尺寸。由于在組裝之前將低壓MOSFET預(yù)堆疊在JFET上,因此該復(fù)合器件與標(biāo)準(zhǔn)組裝管芯連接和引線鍵合設(shè)備兼容。而且,很有意義的是,該器件適合用于電源模塊,并且還可通過TO247-4L封裝提供(器件名稱UF3SC12009K4S)。
表1列出了UnitedSiC最近推出的低RDS(ON)系列SiC FET的具體參數(shù)。請注意,在TO247封裝中,兩個阻抗最低器件的額定電流為鍵合線和引線限制。
導(dǎo)通狀態(tài)和熱特性
雖然產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊可以提供器件特性的詳細(xì)信息,但這里值得查看其中一些關(guān)鍵功能。器件的柵極具有保護(hù)ESD二極管,其在±26V時擊穿。
硅MOSFET的額定電壓為±20V,Vth為5V,并且沒有傳統(tǒng)SiC MOSFET通常遇到的磁滯或不穩(wěn)定性。它可以采用與現(xiàn)有SiC MOSFET、Si MOSFET或IGBT兼容的柵極電壓驅(qū)動。負(fù)柵極偏壓的使用沒有限制,盡管給定5V Vth,但大多數(shù)應(yīng)用仍可通過簡單的0~12V柵極驅(qū)動來完成。
SiC FET RDS(ON)具有正溫度系數(shù),如表1和圖3a所示,考慮到許多應(yīng)用需要將SiC FET器件并聯(lián)使用,該特性非常有用。
圖3a表明650V UF3SC065007K4S的RDS(ON)升高遠(yuǎn)低于硅超結(jié)MOSFET。顯然,在125~150℃時的傳導(dǎo)損耗甚至比可用的最佳超結(jié)硅MOSFET低2.5倍至4倍。如果將1200V器件與SiC MOSFET進(jìn)行比較,在125-150℃時它們RDS(ON)隨溫度的升高速率相差不大,具有相似的RDS(ON)(25℃)。從圖3(右側(cè)圖)還可以清楚地看出,UF3SC120009K4S在所有溫度下都呈現(xiàn)出在TO-247中具備最低的RDS(ON)FET,而且優(yōu)勢很大。
SiC FET導(dǎo)通狀態(tài)下的第三象限特性優(yōu)于SiC MOSFET,這是由于在JFET RDS(ON)串聯(lián)時,其壓降相當(dāng)于0.7V的硅結(jié)壓降。典型的第三象限特性如下述圖3b所示。
低VF也伴隨有出色的低QRR值(例如UF3SC120009K4S為1200-1300nC,UF3SC065007K4S為850nC)。
低RDS(ON)系列器件均采用燒結(jié)銀技術(shù)來提供最佳的熱性能,如表1(最大RTHJC柱)所示。此外,這有助于使MOSFET和SiC JFET都很薄,并且SiC的導(dǎo)熱率(3.7W / cm-K)與銅(3.85W/cm-K)相當(dāng)。這些器件的TJMAX額定值為175℃,但由于MOSFET VTH保持在3V以上,并且其泄漏很低(如圖2特性所示),因而它們可以在TJ> 200℃時正常工作,而不會出現(xiàn)熱失控情況。
開關(guān)特性
表1顯示了SiC FET數(shù)據(jù)手冊中的低開關(guān)損耗。EON和EOFF幾乎與溫度無關(guān),并且都很低。 EON通常大于EOFF,這在大多數(shù)寬帶隙(WBG)器件中都是如此。因此,這些器件在硬開關(guān)和軟開關(guān)電路中都很有用,特別是非常適用于電動汽車逆變器。
從圖4a中的半橋開關(guān)波形可以看出,SiC FET的體二極管恢復(fù)特性非常出色。
這里使用了一個小的RC緩沖器,以減少關(guān)斷電壓過沖,當(dāng)通過單個TO247-4L器件驅(qū)動100A電流時這是必需的。低電壓MOSFET的貢獻(xiàn)約為100nC,主要來自其COSS,觀察到的其余QRR來自SiC JFET輸出電容的QOSS。由于LV MOSFET的存儲電荷很少,測量的QRR隨溫度變化很?。▓D3b),觀察到的大多數(shù)QRR與器件電容充電有關(guān)。在650V時,UF3SC065007K4S的該值為850nC,這是其優(yōu)于任何超結(jié)MOSFET的關(guān)鍵優(yōu)勢所在。超級結(jié)MOSFET的QRR要高出10~50倍,并且在硬恢復(fù)下具有dV/dt限制。
由于20~50V/ns的正常開關(guān)dV/dt對于某些逆變器應(yīng)用而言可能過快,因此圖4b顯示了用于在導(dǎo)通和關(guān)斷期間實(shí)現(xiàn)低dV/dt幾種技術(shù)中的一種(90%/10% dV/dt_導(dǎo)通=5.7V/ns, dV/dt_關(guān)斷=4.1V/ns)。僅使用RG值來實(shí)現(xiàn)這些低dV/dt會導(dǎo)致過長的延遲時間,因此,除了RG之外,還可以使用外部CGD電容器來達(dá)到目標(biāo)dV/dt。
雪崩和短路特性
圖5顯示了UF3SC120009K4S在兩種情況下的典型雪崩特性。在低電流、高電感狀態(tài)下,這些器件可以處理>5.5J,額定值為550mJ。有趣的是,在較短的電感尖峰下,UF3SC120009K4S的峰值雪崩電流處理能力超過200A,這是SiC FET獨(dú)特的工作方式所致,其中JFET從自偏置狀態(tài)進(jìn)入工作模式,能夠安全地吸收雪崩電流。
圖6顯示了典型的短路測試波形。峰值短路電流為1200A,并且由于JFET決定了該峰值短路電流,電流會由于JFET的自發(fā)熱而迅速下降。SiC FET在重復(fù)性短路時不會降低性能,這是源自SiC JFET固有的牢固性。在這種短路事件期間,低電壓MOSFET上的電熱應(yīng)力可以忽略不計(jì)。
SiC FET的并聯(lián)工作特性
圖7顯示了并聯(lián)時SiC FET的典型特性。由于RDS(ON)的正溫度系數(shù),導(dǎo)通狀態(tài)電流會達(dá)到一定平衡。開關(guān)期間電流平衡的主要原因是由于開關(guān)特性實(shí)際上是由SiC JFET而不是低電壓MOSFET控制。由于SiC JFET的VTH不會隨溫度而降低,因此不會招致由于VTH不平衡而導(dǎo)致一個開關(guān)導(dǎo)通更快而關(guān)斷更慢。這也有助于使體二極管針對大部分工作電流具有正溫度系數(shù),而對QRR則具有很小的溫度依賴性,或根本沒有。重要的是要注意,與所有開爾文源器件一樣,在每個柵極返回路徑中增加一個阻抗也很重要。
應(yīng)用案例:電動汽車逆變器中的低RDS(ON)SiC FET
鑒于低RDS(ON)SiC FET這些理想的特性,電動汽車逆變器是非常適合于這些低RDS(ON)開關(guān)的一個應(yīng)用。雖然電源模塊通常是電動汽車逆變器模塊的首選,但這些器件有助于實(shí)現(xiàn)構(gòu)建相當(dāng)?shù)统杀镜碾妱悠嚹孀兤?。?顯示了電動汽車逆變器采用UF3SC120009K4S估算的損耗與基于最先進(jìn)IGBT模塊解決方案的對比。每個開關(guān)使用6個并聯(lián)單元構(gòu)成的解決方案在200KW輸出時可以將工作損耗降低3倍,這對于增大車輛續(xù)航里程、擴(kuò)展電池容量和減輕逆變器的冷卻負(fù)擔(dān)都非常有利。另外,這些開關(guān)可用于提高開關(guān)頻率,有助于減輕逆變器的電流紋波,并提高電機(jī)效率和壽命,使得這些開關(guān)成為高轉(zhuǎn)速電機(jī)逆變器的絕佳選擇。
應(yīng)用案例:電動汽車快速充電器
針對350KW的電動汽車快速充電器,必須向400V電池提供875A的電流,或向800V的電池提供一半的電流。典型的充電器電路可能需要在高頻變壓器的次級線圈上使用SiC二極管,以整流傳遞到電池的電壓。將SiC FET用作同步整流器可以將損耗降低至少2倍,圖8顯示了UF3SC065007K4S與100A SiC JBS二極管的傳導(dǎo)特性比較。如果大功率模塊中的每個器件都以100A電流(例如50%的占空比)使用,則二極管在125℃時會下降2V,損耗為100W,而SiC FET在125℃時可能會只有0.9V的電壓降低,導(dǎo)致每個FET僅損耗45W,相當(dāng)于改進(jìn)了2倍。
鑒于這些器件具有出色的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗,能夠在標(biāo)準(zhǔn)的主動前端(PFC級)和DC-DC(相移全橋/ LLC)初級提供峰值效率,用戶可以減少并聯(lián)開關(guān)的數(shù)量,簡化組裝,甚至可以將單個充電器的功率從15KW提升到30-50KW。UF3SC065007K4S可以允許用戶借助分立器件將Vienna整流器推到新的功率水平,或者1200V器件可以提供一個同樣高效的簡化兩電平架構(gòu)路徑。
應(yīng)用案例:光伏逆變器、焊接和UPS電路
這些器件具備傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗的完美結(jié)合,可以非常有效地用于高性能兩電平、NPC和TNPC電路,以最大限度地提高逆變器效率,并突破采用分立器件可處理的功率水平極限。SiC FET柵極驅(qū)動器的簡捷性是控制成本的另一個重要因素。
圖9比較了在總線電壓為800V,頻率為12.5kHz、25kHz和50kHz的60KVA逆變器中由于半導(dǎo)體功率損耗而導(dǎo)致的效率估算。兩電平解決方案每個開關(guān)位置使用一個UF3SC120009K4S,因此僅需要6個晶體管和柵極驅(qū)動器。TNPC每相使用兩個UF3SC120009K4S和兩個 UF3SC065007K4S,而NPC情況則每相使用四個UF3SC065007K4S。TNPC和NPC選項(xiàng)使用12個晶體管和12個柵極驅(qū)動器,即使在50kHz時也能提供高于99%的效率。與基于模塊的方法相比,可以節(jié)省大量成本。
應(yīng)用案例:固態(tài)斷路器
UnitedSiC展示了一個使用六個并聯(lián)UF3SC120009芯片構(gòu)成的2mΩ,1200V SOT227開關(guān),主要針對大電流固態(tài)功率控制器和斷路器應(yīng)用。但在較低電流下,這些低RDS(ON)FET可以單獨(dú)或并聯(lián)形式來實(shí)現(xiàn)這些功能。
雖然簡單的負(fù)載開關(guān)只需要低的導(dǎo)通阻抗和良好的熱性能,但對于某些應(yīng)用可能要求更多。例如在線性模式下使用此器件構(gòu)成電子負(fù)載,在這種模式下,特別是在600~1200V的高電壓下,JFET可以應(yīng)對大部分功率損耗。由于其VTH不會隨溫度下降,因此它不會在管芯內(nèi)形成熱點(diǎn),因此可以在這些條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
圖10顯示了使用帶有高Rgoff阻抗的UF3SC120009K4S來穩(wěn)定運(yùn)行非常緩慢的關(guān)斷轉(zhuǎn)換。固態(tài)功率控制器中需要緩慢的導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換,以最大程度地減小切換到高電感線路時產(chǎn)生的電壓尖峰。
結(jié)論
設(shè)計(jì)人員將會發(fā)現(xiàn),這些采用熟悉的TO247-4L封裝,具有出色的開關(guān)損耗,同時具備極低RDS(ON)的器件在構(gòu)建更高功率逆變器、充電器和固態(tài)斷路器時能夠提供非常高的價值。這些器件具備的高VTH值以及與硅和SiC柵極驅(qū)動電壓的兼容性能夠進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì),同時這些器件由于其內(nèi)在的堅(jiān)固耐用,并且能夠并聯(lián)運(yùn)行,使設(shè)計(jì)人員可以采用這些器件來替換電源模塊。
圖1:(a)使用一個低壓硅MOSFET堆疊在高壓常開型SiC JFET源極焊盤上方形成的共源共柵。(b)共源共柵SiC FET的最終電路配置。
圖2:8.6mΩ1200V SiC FET的尺寸。器件黃色部分是SiC JFET,藍(lán)色部分為堆疊在其上的低壓MOSFET。該器件連續(xù)運(yùn)行的額定工作溫度為175℃,但該器件的導(dǎo)通狀態(tài)和阻斷特性表明,在200℃條件下運(yùn)行仍可安全地處理過應(yīng)力情況,而不會發(fā)生過熱失控。
表1:添加到TO247產(chǎn)品組合中的低RDSSiC FET性能參數(shù)。最低RDS器件具有120A限制。 *包括5Ω,680pF緩沖器。
圖3a:UF3SC065007K4S的導(dǎo)通電阻與溫度的關(guān)系,以及相對于最佳可用超級結(jié)MOSFET的關(guān)系; UF3SC120009K4S針對最佳SiC MOSFET方案的比較。
圖3b:UF3SC120009K4S的第三象限(續(xù)流模式)導(dǎo)通狀態(tài)特性(左)和QRR(右)與溫度的關(guān)系。請注意,在100A時VGS = 0,-5V時的低導(dǎo)通壓降為1.65V,1200-1300nC的低QRR值幾乎與溫度無關(guān)。
圖4a:UnitedSiC雙脈沖演示板上的半橋開關(guān)波形。RGON = RGOFF = 5Ω,并且在每個器件上都施加了680pF,5Ω的RC緩沖器。
圖4b:一種適合電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)低dV/dt波形的方法。開關(guān)條件為75A/800V,帶有33Ω的RG和68pF的外部CGD電容器。在UnitedSiC雙脈沖演示板上測得半橋開關(guān)波形。
圖5顯示了UF3SC120009K4S在兩種情況下的典型雪崩特性。在低電流,高電感狀態(tài)下,這些器件可以處理> 5.5J,額定值為550mJ。有趣的是,在較短的電感尖峰下,UF3SC120009K4S的峰值雪崩電流處理能力超過200A。這是由于SiC FET的獨(dú)特運(yùn)行所致,其中JFET從自偏置狀態(tài)進(jìn)入工作模式,能夠安全地吸收雪崩電流。
圖6:UF3SC120009K4S的典型短路測試波形。SiC JFET確定了1200A的峰值電流,該峰值電流由于自受熱而迅速下降。數(shù)據(jù)獲取條件:VDS = 600V,TSTART = 25℃。
圖7:兩個UF3SC120009K4S器件在VGS = +15/-5V時每個以60A(總共120A)的電流并聯(lián)開關(guān),每個柵極使用15Ω RG,在柵極返回路徑為1Ω。在高速開關(guān)條件實(shí)現(xiàn)了出色的共享。
表2:基于IGBT的最新2級電動汽車逆變器與具有各種低RDS(ON)SiC FET選項(xiàng)的功率損耗比較。在200KW輸出功率下,損耗可降低近3倍。
圖8:用UF3SC065007K4S在高電流下進(jìn)行同步整流。與使用SiC JBS二極管相比,可以避免產(chǎn)生大量的廢熱。現(xiàn)在,轉(zhuǎn)換器也可以是雙向。
這種變化允許轉(zhuǎn)換器進(jìn)行雙向設(shè)計(jì)。
圖9:對于2級,NPC和TNPC拓?fù)浼軜?gòu),在3個工作頻率下具有800V DC鏈路的60KVA太陽能逆變器的損耗評估,其中效率僅考慮了功率半導(dǎo)體的損耗。該功率水平之前通常是采用電源模塊來實(shí)現(xiàn),但現(xiàn)在可以通過UnitedSiC分立器件來完成。
圖10:使用UF3SC120009K4S管理電源控制器/負(fù)載開關(guān)的緩慢開關(guān)轉(zhuǎn)換。電阻性負(fù)載RL =9.4Ω,VDD = 800V,Tj = 25℃,DUT開關(guān)條件:VGS = -5V/15V。
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