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可靠并有效的控制碳化硅MOSFET

2020-03-25 14:15 来源:电源网编译 编辑:咩咩

基于碳化硅(SiC)的系统的需求继续快速增长,以最大限度地提高效率、减小尺寸和重量,使工程师能够创建创新的电力解决方案。利用SiC技术的应用范围从电动汽车和充电站到智能电网以及工业和航空电力系统。

新的数字可编程门驱动器解决方案进一步支持加速从设计到生产的过程。碳化硅的耐压性能也很好,但在站立短路条件下不是很好。栅极驱动器被设计来解决所有这些问题,包括系统噪声、短路、过压和过热。

国家信息技术

SiC技术现在被广泛认为是硅的可靠替代品。许多电源模块和电源逆变器的制造商已经为他们未来产品的路线图奠定了基础。较高的电场强度的碳化硅衬底允许使用较薄的基础结构。

“碳化硅功率半导体设备的增长在过去三年中翻了一番。市场非常乐观,认为在未来7到10年内,这一数字将达到100亿美元。我们正看到一种快速的适应,我们正在全球范围内创造大量的机会。这些机会跨越了工业、汽车、医疗、航空航天和国防、牵引或火车等领域的许多不同类型的应用。

可靠和有效的控制碳化硅MOSFET

图1:电力电子中采用SiC的原因是什么?(来源:芯片)

电动汽车和其他大功率开关应用使用碳化硅(SiC)电力电子技术实现最高效率。“碳化硅适用于需要600伏特及以上系统电压的应用。我们看到了很多机会,我们的700伏和1200伏的设备在电动汽车的应用中,有400伏或800伏的公共汽车或工业医疗设备,这是在更高的电压范围。许多系统设计人员现在希望转向GaN或碳化硅,因为硅与效率有关,而且碳化硅使他们的系统更小、更轻,而且整个系统的成本实际上更低,”Orlando Esparza说。

微芯片的新700,1200和1700 V功率模块最大限度地提高开关效率,减少热增益,并减少系统占用。新的解决方案包括具有商业资格的700、1200和1700V肖特基势垒二极管(SBDs)。新的电源模块家族包括各种拓扑结构,包括双二极管、全桥、相位腿、双共阴极和三相桥,并提供多种电流和封装选项。在设计中添加SiC SBD模块可以最大限度地提高开关效率,降低热增益,并允许更小的系统占用空间。高器件性能使系统设计人员在不长期退化的情况下,充分利用二极管体的稳定性,从而最大限度地减少对缓冲电路的需求。

可靠和有效的控制碳化硅MOSFET

图2:MSCSICSP3/REF2参考设计[来源:Microchip]

微芯片为加速设计开发提供了多种参考设计。MSCSICSP3/REF2参考设计提供了一个用于SiC SP3相分支模块的高度隔离SiC MOSFET双栅驱动器的示例。它可以配置成开关驱动在半桥配置,在任何时候只有一边,并与死时间保护。一个低电感的SP6LI驱动参考设计实现了一个半桥驱动高达400khz的开关频率。MSCSICPFC/REF5是一款三相维也纳PFC参考设计,适用于30千瓦应用的混合动力电动汽车(HEV/EV)充电器。

可靠和有效的控制碳化硅MOSFET

图3:低电感SP6LI驱动参考设计[来源:Microchip]

可靠和有效的控制碳化硅MOSFET

图4:MSCSICPFC/REF5为三相Vienna PFC参考设计[来源:Microchip]

维也纳的3级30kw功率因数校正(PFC)、SiC和SP3/SP6LI模块驱动参考项目/板,为系统开发人员提供帮助减少开发周期的工具。功率因数校正(PFC)是解决潜在损失来源的关键,应相应地实施。

数字门司机

AgileSwitch®系列数字门驱动器解决方案有效地减少了EMI问题和高达50%的开关损耗。数字解决方案旨在解决在高开关频率下运行SiC和IGBT电源设备时出现的关键挑战。他们可以切换到200千赫,并提供多达七种不同的故障和监测条件。

“我们的栅极驱动器被设计来解决所有这些问题,比如系统中的噪音、短路过热和过电压。当你试图驱动碳化硅时,我们在这些关键问题上加入了很多功能,”微芯片技术公司的AgileSwitch生产线主管Rob Weber说。

可靠和有效的控制碳化硅MOSFET

图5:数字门驱动优于模拟驱动[来源:微芯片]

驱动程序具有增强的开关™技术和健壮的短路保护,并可通过软件进行完全配置。它们被优化用于运输和工业应用,包括逆变器和感应加热。

“我们的方法是通过一项技术,我们已经开发和专利,这是所谓的增强开关。你可以在图6的右手边看到,打开和关闭开关的程式化波形。我们所做的就是按步骤打开和关闭开关,在不同的电压水平上修改打开和关闭开关的电压和时间。”罗布·韦伯说道。

微芯片提供了大量的开发工具包,用于生产开发与数字门驱动器。62mm的电动主插拔式SiC门驱动程序是为牵引、重型车辆和感应加热应用而优化的。ASDAK包括快速优化SiC模块和系统性能所需的硬件和软件元素。该工具为系统设计者提供了使用智能配置工具(ICT)通过软件更新来调整系统性能的灵活性。ICT提供了几个驱动参数的配置,包括开关门电压、直流链路和温度故障级别,以及增加的开关配置。

通过减少关断尖峰和振铃,在正常工作和短路(DSAT)条件下,SiC MOSFET模块可以在更高的频率下安全工作,从而显著提高功率转换密度。这使得SiC MOSFET模块的操作更接近其额定规格,从而在尺寸、成本和性能上得到改善。

本文编译自powerelectronicsnews。

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