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說明 SiC MOSFET 在電力電子領(lǐng)域的優(yōu)勢
說明 SiC MOSFET 在電力電子領(lǐng)域的優(yōu)勢
電力設(shè)計是由市場需求驅(qū)動的，這些需求在符合法規(guī)要求的同時提高效率和生產(chǎn)力。最重要的最終用戶需求幾乎總是對更小、更輕、更高效的系統(tǒng)，這是通過功率半導體設(shè)計的重大創(chuàng)新實現(xiàn)的。長期以來，硅 MOSFET 和 IGBT 在功率半導體中占據(jù)主導地位，而寬帶隙 (WBG) 技術(shù)，尤其是碳化硅 (SiC) 的最新進展正在為功率電子系統(tǒng)的設(shè)計人員帶來額外的好處，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(jù)應(yīng)用要求指導器件選擇。最后，討論了兩種常見的電力電子應(yīng)用，以展示這些設(shè)備如何為設(shè)計人員提供價值。
從硅到碳化硅
當今最常見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 的低壓市場占據(jù)主導地位，而 IGBT 在高于 650V 的高壓市場占據(jù)主導地位。這些器件具有易于驅(qū)動的柵極、快速開關(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(yīng)用，包括便攜式設(shè)備、移動電話、筆記本電腦、無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、電機驅(qū)動器和太陽能等可再生能源技術(shù)。
雖然硅 MOSFET 和 IGBT 仍將是許多電源應(yīng)用的流行選擇，但 WBG 材料的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)實現(xiàn)了一系列新的電源應(yīng)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。此外，其低開關(guān)損耗以及因此能夠在高工作頻率下工作的能力，使設(shè)計能夠以更高的效率工作，同時減少相應(yīng)磁性組件的尺寸和重量。
如果實施得當，SiC 器件可為設(shè)計人員提供重要優(yōu)勢。緊湊的 SiC 組件可以減小整體系統(tǒng)尺寸，這在電動汽車 (EV) 等空間和重量敏感的應(yīng)用中非常有用。然而，為了實現(xiàn) SiC MOSFET 的潛在優(yōu)勢，所選器件必須與應(yīng)用的特定需求相匹配，并且必須遵循仔細的設(shè)計指南。
設(shè)備設(shè)計注意事項
SiC MOSFET 容易受到寄生導通 (PTO) 事件的影響，這會導致在某些條件下增加動態(tài)損耗，甚至可能導致超出設(shè)備的安全工作條件。設(shè)計人員應(yīng)該了解任何選定的設(shè)備可能會受到 PTO 效應(yīng)的影響以及如何防止它們。
PTO 的一個主要原因是米勒電容 C dg，它在開關(guān)事件期間將漏極電壓耦合到柵極。當漏極電壓升高時，C dg電容充電，電流也會對 C gs充電。如果 V gs達到柵極閾值，器件可能會意外開啟并導致互補器件發(fā)生短暫的“直通”事件。這會在設(shè)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(shè)計有關(guān)。關(guān)鍵因素包括總線電壓、開關(guān)速度 (dv/dt)、PCB 布局和柵極電阻。
設(shè)計人員可以通過考慮電容比 C dg /(C dg +C gs ) 和柵極閾值電壓 V gs,th來估計 MOSFET 對 PTO 事件的敏感性。圖 1顯示了當前市場上精選的 SiC MOSFET 的比較，其中每個器件的感應(yīng)柵極電壓計算為 V gs =ΔV ds C dg /(C dg +C gs )，工作總線電壓為 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高。
本練習說明了米勒電容如何導致感應(yīng)柵極電壓超過器件的 V gs,th，從而導致 PTO。圖 1 還強調(diào)了兩個采樣器件，包括來自英飛凌的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(yīng)柵極電壓。
雖然使用這種方法可以估計設(shè)備對 PTO 效應(yīng)的敏感性，但這些效應(yīng)本質(zhì)上是動態(tài)的，并且在很大程度上取決于應(yīng)用的具體情況。圖 2顯示了一個硬件設(shè)置——使用EVAL-IGBT-1200V-247評估板——來全面表征 SiC MOSFET 器件。
圖 2 SiC MOSFET 表征的評估設(shè)置有助于估計器件對 PTO 效應(yīng)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 水平下對高邊開關(guān) S1 進行了測試。
圖 3顯示了 CoolSiC MOSFET 測試的結(jié)果。隨著開關(guān)速率和溫度的升高，通過降低關(guān)斷柵極電阻的值來防止 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，從而簡化了柵極驅(qū)動電路的設(shè)計。
圖 3表征結(jié)果顯示了如何防止 PTO。
可以使用相同的評估硬件來比較其他設(shè)備的特性。圖 4突出顯示了 SiC MOSFET 器件之間相關(guān)的 dv/dt 開關(guān)瞬變可實現(xiàn)的最小導通損耗。
圖 4這是最小開關(guān)損耗與可實現(xiàn)開關(guān)速度之間的比較。
碳化硅MOSFET應(yīng)用
快速充電
快速直流電池充電是不斷增長的電動汽車市場的關(guān)鍵推動因素，可實現(xiàn)高范圍的每次充電率。最先進的電池充電器在 DC-DC 階段使用軟開關(guān) LLC 拓撲（圖 5a）。使用硅 MOSFET 時，只有使用 650V 額定器件才能實現(xiàn)足夠低的動態(tài)損耗，因此需要兩個級聯(lián) LLC 全橋來支持 800V 直流鏈路電壓。
通過使用額定電壓為 1,200V 的 SiC MOSFET，包括驅(qū)動器 IC 在內(nèi)的開關(guān)位置數(shù)量減半（圖 5b）。使用這種 SiC MOSFET 解決方案，在每個導通狀態(tài)中只有兩個開關(guān)位置打開，而 650-V 解決方案中有四個。這導致傳導損耗降低 50%，同時由于 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(jié)省 2% 以上。此外，碳化硅 MOSFET 的部件數(shù)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 的整體低開關(guān)損耗與其內(nèi)部體二極管的特性相結(jié)合，也支持傳統(tǒng)的硬開關(guān)解決方案，例如雙有源電橋（圖 5c）。顯著減少的控制工作、整體較低的復雜性和減少的部件數(shù)量使此類解決方案越來越有吸引力。
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(qū)動器是用于工業(yè)自動化和機器人系統(tǒng)的高性能電機驅(qū)動器。高性能且緊湊的 DC-AC 電源轉(zhuǎn)換器是這些驅(qū)動系統(tǒng)的核心，與基于 IGBT 的設(shè)計相比，SiC MOSFET 可以顯著提高驅(qū)動器的性能。
碳化硅 MOSFET 支持更高的開關(guān)頻率，從而實現(xiàn)高電流環(huán)路帶寬和改進的加速、減速和位置控制動態(tài)性能。同時，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 開關(guān)速度以限制 EMI 并滿足電機絕緣規(guī)范。
圖 6碳化硅 MOSFET 可以顯著降低整體損耗，進而提高逆變器性能。
這些損耗減少提供了一些設(shè)計改進選項，例如增加驅(qū)動電流額定值、過載能力或尺寸，以及減少散熱器和風扇。它們對于將驅(qū)動器集成到電機中且冷卻非常有限的系統(tǒng)特別有用。
謹慎的設(shè)備選擇
SiC MOSFET 的低導通和開關(guān)損耗是設(shè)計工程師需要在更高電壓下實現(xiàn)高工作頻率的關(guān)鍵因素。這為電力電子應(yīng)用（例如快速電池充電器和伺服驅(qū)動器）的設(shè)計人員帶來了許多優(yōu)勢。然而，碳化硅 MOSFET 會因 PTO 事件而遭受更大的損失，因此需要仔細選擇器件和驅(qū)動電路設(shè)計以減輕這些影響。器件對 PTO 的敏感性可以從數(shù)據(jù)表參數(shù)中估算出來，但可以使用合適的評估板進行更全面的表征。