說明 SiC MOSFET 在電力電子領域的優勢

2021-06-15

說明 SiC MOSFET 在電力電子領域的優勢

電力設計是由市場需求驅動的，這些需求在符合法規要求的同時提高效率和生產力。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，這是通過功率半導體設計的重大創新實現的。長期以來，硅 MOSFET 和 IGBT 在功率半導體中占據主導地位，而寬帶隙 (WBG) 技術，尤其是碳化硅 (SiC) 的最新進展正在為功率電子系統的設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 的優勢，并討論了 SiC 器件的關鍵特性，以便根據應用要求指導器件選擇。最后，討論了兩種常見的電力電子應用，以展示這些設備如何為設計人員提供價值。

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 的低壓市場占據主導地位，而 IGBT 在高于 650V 的高壓市場占據主導地位。這些器件具有易于驅動的柵極、快速開關速度、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、移動電話、筆記本電腦、無線網絡基礎設施、電機驅動器和太陽能等可再生能源技術。

雖然硅 MOSFET 和 IGBT 仍將是許多電源應用的流行選擇，但 WBG 材料的持續發展已經實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點。此外，其低開關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，同時減少相應磁性組件的尺寸和重量。

如果實施得當，SiC 器件可為設計人員提供重要優勢。緊湊的 SiC 組件可以減小整體系統尺寸，這在電動汽車 (EV) 等空間和重量敏感的應用中非常有用。然而，為了實現 SiC MOSFET 的潛在優勢，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，這會導致在某些條件下增加動態損耗，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受到 PTO 效應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生短暫的“直通”事件。這會在設備中產生額外的功率損耗。擊穿的嚴重程度以及相關損耗的大小與 MOSFET 的工作條件和相關電路的設計有關。關鍵因素包括總線電壓、開關速度 (dv/dt)、PCB 布局和柵極電阻。

設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柵極電壓超過器件的 V gs,th，從而導致 PTO。圖 1 還強調了兩個采樣器件，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，但這些效應本質上是動態的，并且在很大程度上取決于應用的具體情況。圖 2顯示了一個硬件設置——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 S1 進行了測試。

圖 3顯示了 CoolSiC MOSFET 測試的結果。隨著開關速率和溫度的升高，通過降低關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 的關斷柵極電壓也足以防止 PTO，從而簡化了柵極驅動電路的設計。

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比較其他設備的特性。圖 4突出顯示了 SiC MOSFET 器件之間相關的 dv/dt 開關瞬變可實現的最小導通損耗。

圖 4這是最小開關損耗與可實現開關速度之間的比較。

碳化硅MOSFET應用

快速充電

快速直流電池充電是不斷增長的電動汽車市場的關鍵推動因素，可實現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 LLC 拓撲（圖 5a）。使用硅 MOSFET 時，只有使用 650V 額定器件才能實現足夠低的動態損耗，因此需要兩個級聯 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，包括驅動器 IC 在內的開關位置數量減半（圖 5b）。使用這種 SiC MOSFET 解決方案，在每個導通狀態中只有兩個開關位置打開，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 的整體低開關損耗與其內部體二極管的特性相結合，也支持傳統的硬開關解決方案，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 的優勢。

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

碳化硅 MOSFET 支持更高的開關頻率，從而實現高電流環路帶寬和改進的加速、減速和位置控制動態性能。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 開關速度以限制 EMI 并滿足電機絕緣規范。

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計改進選項，例如增加驅動電流額定值、過載能力或尺寸，以及減少散熱器和風扇。它們對于將驅動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 的低導通和開關損耗是設計工程師需要在更高電壓下實現高工作頻率的關鍵因素。這為電力電子應用（例如快速電池充電器和伺服驅動器）的設計人員帶來了許多優勢。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動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，但可以使用合適的評估板進行更全面的表征。