說(shuō)明 SiC MOSFET 在電力電子領(lǐng)域的優(yōu)勢

2021-06-15

說(shuō)明 SiC MOSFET 在電力電子領(lǐng)域的優(yōu)勢

電力設計是由市場(chǎng)需求驅動(dòng)的，這些需求在符合法規要求的同時(shí)提高效率和生產(chǎn)力。最重要的最終用戶(hù)需求幾乎總是對更小、更輕、更高效的系統，這是通過(guò)功率半導體設計的重大創(chuàng )新實(shí)現的。長(cháng)期以來(lái)，硅 MOSFET 和 IGBT 在功率半導體中占據主導地位，而寬帶隙 (WBG) 技術(shù)，尤其是碳化硅 (SiC) 的最新進(jìn)展正在為功率電子系統的設計人員帶來(lái)額外的好處，提高效率和更高的電壓能力，導致降低形式因素。

本文簡(jiǎn)要回顧了 SiC MOSFET 的優(yōu)勢，并討論了 SiC 器件的關(guān)鍵特性，以便根據應用要求指導器件選擇。最后，討論了兩種常見(jiàn)的電力電子應用，以展示這些設備如何為設計人員提供價(jià)值。

從硅到碳化硅

當今最常見(jiàn)的功率半導體是硅基 MOSFET、功率二極管、晶閘管和 IGBT。硅 MOSFET 在低于 650V 的低壓市場(chǎng)占據主導地位，而 IGBT 在高于 650V 的高壓市場(chǎng)占據主導地位。這些器件具有易于驅動(dòng)的柵極、快速開(kāi)關(guān)速度、低傳導損耗和并行操作能力。這導致廣泛采用廣泛的應用，包括便攜式設備、移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )基礎設施、電機驅動(dòng)器和太陽(yáng)能等可再生能源技術(shù)。

雖然硅 MOSFET 和 IGBT 仍將是許多電源應用的流行選擇，但 WBG 材料的持續發(fā)展已經(jīng)實(shí)現了一系列新的電源應用。與硅相比，SiC 尤其具有更高的熱導率（120-270 W/mK）和更高的電流密度的優(yōu)點(diǎn)。此外，其低開(kāi)關(guān)損耗以及因此能夠在高工作頻率下工作的能力，使設計能夠以更高的效率工作，同時(shí)減少相應磁性組件的尺寸和重量。

如果實(shí)施得當，SiC 器件可為設計人員提供重要優(yōu)勢。緊湊的 SiC 組件可以減小整體系統尺寸，這在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等空間和重量敏感的應用中非常有用。然而，為了實(shí)現 SiC MOSFET 的潛在優(yōu)勢，所選器件必須與應用的特定需求相匹配，并且必須遵循仔細的設計指南。

設備設計注意事項

SiC MOSFET 容易受到寄生導通 (PTO) 事件的影響，這會(huì )導致在某些條件下增加動(dòng)態(tài)損耗，甚至可能導致超出設備的安全工作條件。設計人員應該了解任何選定的設備可能會(huì )受到 PTO 效應的影響以及如何防止它們。

PTO 的一個(gè)主要原因是米勒電容 C dg，它在開(kāi)關(guān)事件期間將漏極電壓耦合到柵極。當漏極電壓升高時(shí)，C dg電容充電，電流也會(huì )對 C gs充電。如果 V gs達到柵極閾值，器件可能會(huì )意外開(kāi)啟并導致互補器件發(fā)生短暫的“直通”事件。這會(huì )在設備中產(chǎn)生額外的功率損耗。擊穿的嚴重程度以及相關(guān)損耗的大小與 MOSFET 的工作條件和相關(guān)電路的設計有關(guān)。關(guān)鍵因素包括總線(xiàn)電壓、開(kāi)關(guān)速度 (dv/dt)、PCB 布局和柵極電阻。

設計人員可以通過(guò)考慮電容比 C dg /(C dg +C gs ) 和柵極閾值電壓 V gs,th來(lái)估計 MOSFET 對 PTO 事件的敏感性。圖 1顯示了當前市場(chǎng)上精選的 SiC MOSFET 的比較，其中每個(gè)器件的感應柵極電壓計算為 V gs =ΔV ds C dg /(C dg +C gs )，工作總線(xiàn)電壓為 600V。

圖 1器件對 PTO 敏感性的比較顯示了米勒電容如何導致柵極電壓過(guò)高。

本練習說(shuō)明了米勒電容如何導致感應柵極電壓超過(guò)器件的 V gs,th，從而導致 PTO。圖 1 還強調了兩個(gè)采樣器件，包括來(lái)自英飛凌的CoolSiC MOSFET，對 PTO 具有固有的免疫力，因為這些器件的柵極閾值高于計算的潛在感應柵極電壓。

雖然使用這種方法可以估計設備對 PTO 效應的敏感性，但這些效應本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，并且在很大程度上取決于應用的具體情況。圖 2顯示了一個(gè)硬件設置——使用EVAL-IGBT-1200V-247評估板——來(lái)全面表征 SiC MOSFET 器件。

圖 2 SiC MOSFET 表征的評估設置有助于估計器件對 PTO 效應的敏感性。

表征練習的目的是找到 S2 的關(guān)斷柵極電阻的最低值，同時(shí)避免寄生導通。在不同負載電流、溫度和 dv/dt 水平下對高邊開(kāi)關(guān) S1 進(jìn)行了測試。

圖 3顯示了 CoolSiC MOSFET 測試的結果。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)速率和溫度的升高，通過(guò)降低關(guān)斷柵極電阻的值來(lái)防止 PTO。對于該器件，即使在 50 V/ns 的電壓斜率和 175oC 的溫度下，0V 的關(guān)斷柵極電壓也足以防止 PTO，從而簡(jiǎn)化了柵極驅動(dòng)電路的設計。

圖 3表征結果顯示了如何防止 PTO。

可以使用相同的評估硬件來(lái)比較其他設備的特性。圖 4突出顯示了 SiC MOSFET 器件之間相關(guān)的 dv/dt 開(kāi)關(guān)瞬變可實(shí)現的最小導通損耗。

圖 4這是最小開(kāi)關(guān)損耗與可實(shí)現開(kāi)關(guān)速度之間的比較。

碳化硅MOSFET應用

快速充電

快速直流電池充電是不斷增長(cháng)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的關(guān)鍵推動(dòng)因素，可實(shí)現高范圍的每次充電率。最先進(jìn)的電池充電器在 DC-DC 階段使用軟開(kāi)關(guān) LLC 拓撲（圖 5a）。使用硅 MOSFET 時(shí)，只有使用 650V 額定器件才能實(shí)現足夠低的動(dòng)態(tài)損耗，因此需要兩個(gè)級聯(lián) LLC 全橋來(lái)支持 800V 直流鏈路電壓。

通過(guò)使用額定電壓為 1,200V 的 SiC MOSFET，包括驅動(dòng)器 IC 在內的開(kāi)關(guān)位置數量減半（圖 5b）。使用這種 SiC MOSFET 解決方案，在每個(gè)導通狀態(tài)中只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)位置打開(kāi)，而 650-V 解決方案中有四個(gè)。這導致傳導損耗降低 50%，同時(shí)由于 SiC MOSFET 的較小輸出電容而降低了關(guān)斷損耗。因此，使用 SiC MOSFET 可將效率提高 1% 以上，對于雙向充電而言，相當于電池電量節省 2% 以上。此外，碳化硅 MOSFET 的部件數量減少 50%，外形尺寸更小，從而減少了所需的 PCB 面積。

1,200V SiC MOSFET 的整體低開(kāi)關(guān)損耗與其內部體二極管的特性相結合，也支持傳統的硬開(kāi)關(guān)解決方案，例如雙有源電橋（圖 5c）。顯著(zhù)減少的控制工作、整體較低的復雜性和減少的部件數量使此類(lèi)解決方案越來(lái)越有吸引力。

圖 5三相快速電池充電配置突出了使用 SiC MOSFET 的優(yōu)勢。

伺服驅動(dòng)器是用于工業(yè)自動(dòng)化和機器人系統的高性能電機驅動(dòng)器。高性能且緊湊的 DC-AC 電源轉換器是這些驅動(dòng)系統的核心，與基于 IGBT 的設計相比，SiC MOSFET 可以顯著(zhù)提高驅動(dòng)器的性能。

碳化硅 MOSFET 支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現高電流環(huán)路帶寬和改進(jìn)的加速、減速和位置控制動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，它們有可能將總體損失降低多達 80%（圖 6）。這些降低大部分是由于開(kāi)關(guān)損耗降低了 50%，即使將 SiC MOSFET 減慢到 5 V/ns 的 dv/dt 水平以匹配 IGBT 開(kāi)關(guān)速度以限制 EMI 并滿(mǎn)足電機絕緣規范。

圖 6碳化硅 MOSFET 可以顯著(zhù)降低整體損耗，進(jìn)而提高逆變器性能。

這些損耗減少提供了一些設計改進(jìn)選項，例如增加驅動(dòng)電流額定值、過(guò)載能力或尺寸，以及減少散熱器和風(fēng)扇。它們對于將驅動(dòng)器集成到電機中且冷卻非常有限的系統特別有用。

謹慎的設備選擇

SiC MOSFET 的低導通和開(kāi)關(guān)損耗是設計工程師需要在更高電壓下實(shí)現高工作頻率的關(guān)鍵因素。這為電力電子應用（例如快速電池充電器和伺服驅動(dòng)器）的設計人員帶來(lái)了許多優(yōu)勢。然而，碳化硅 MOSFET 會(huì )因 PTO 事件而遭受更大的損失，因此需要仔細選擇器件和驅動(dòng)電路設計以減輕這些影響。器件對 PTO 的敏感性可以從數據表參數中估算出來(lái)，但可以使用合適的評估板進(jìn)行更全面的表征。