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SiC开关:其特性、优点和应用

2020-05-28 09:45 来源:SiC开关 编辑:电源网

宽带隙(WBG)半导体多年来一直是“热门”话题,并已从未来技术稳步进入当今主要市场领域,到2024年,市场增长预计将在未来五年中以33.4%的复合年增长率增长至18.2亿美元 [1]。根据Yole Développment研究人员的研究,WBG器件使用碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)材料制造,其中SiC所占比例最高,至2018年约为98% [2]。他们预测主要的市场驱动力将是汽车,到2024年SiC约占半导体功率开关的50%。

那么,“宽带隙”设备是什么?它们是采用具有以下特征的材料制成的半导体,即,需要相对较高的能量才能将电子从原子的“价带”移至“导带”。此“带隙”以电子伏特(eV)进行测量,作为比较,传统硅(Si)的带隙值为1.1eV,而SiC则为3.26eV,GaN为3.4eV。宽带隙器件还具有更好的电子饱和速度,而SiC具有特别好的导热性。与图1中的Si相比,这些和其他的差异产生了某些特性,并为宽带隙器件带来了巨大的优势。

SiC开关:其特性、优点和应用

图1:与硅相比,SiC和GaN材料的特性

宽带隙器件的击穿电压额定值提高了10倍

如图1所示,对于给定的厚度,电压击穿特性比Si好出了约10倍,例如,使用SiC材料的器件可以具有10倍薄的漂移层和10倍的掺杂浓度。对于相同的阻断电压,这产生的导通电阻比Si低得多,与Si相比,在相同的芯片面积上,直接产生更低的功耗。凭借其极高的导热率,SiC芯片可以有效地将热量引出封装,从而在最小的空间内实现大功率。由于具有高压击穿特性,漏电流也较低,特别是在高温下。

小尺寸意味着低电容和高速

宽带隙半导体可通过高阻断电压实现较小的芯片尺寸,从而产生较低的内部器件电容。在开关应用中,必须在每个周期内对电容进行充电和放电,这代表着循环电流和功耗,因此,与Si相比,SiC和GaN具有更大的优势。例如,由于栅极到源极和栅极到漏极的电容而产生的栅极电荷,在IGBT中可能是几个微库仑,而对于功率MOSFET则可能是数百个纳米库仑,但是对于SiC器件,即使对于大功率器件,也只有几十个纳米库仑,例如 Infineon的FF45MR12W1M1_B11,其额定电压为1200V和25A(图2)。这不仅有助于快速切换,还可以降低栅极驱动器的功率要求,大型IGBT可能需要几瓦的功率来驱动其栅极,而SiC和GaN的功率则通常为几毫瓦。

SiC开关:其特性、优点和应用

图2:Infineon的SiC模块额定电压为1200V/25A,总栅极电荷仅为62nC

宽带隙设备让高温成为可能

SiC和GaN的有用特性之一,是它们能够在比Si更高的结温下工作。一些制造商已证明其器件可在超过500°C的峰值温度下工作,尽管实际上,封装将其温度值限制为硅部件的温度值。但宽带隙器件更好的额定值在瞬态热条件下具有很大的余量。与Si相比,SiC的关键参数随温度的变化(例如导通电阻和栅极泄漏)也要低得多。

应用优势

使用宽带隙设备的主要驱动力是降低开关应用中的损耗。现在,服务器电源等应用的效率目标通常超过98%,而这些数值实际上只能通过SiC或GaN技术来实现。但是,仅简单地将旧技术(例如Si-MOSFET)替换为SiC时,无法实现最佳的解决方案,例如:边沿速率将更快,从而降低设备的损耗,但EMI也将更高,需要额外的缓冲和滤波,这又增加了损耗。通过彻底的重新设计可实现全部的优势,将工作频率提高到开关损耗仍然很低的水平,但也可节省外部组件(尤其是磁性器件)的成本,这些组件通常会随着频率的增加而缩小尺寸并降低成本。随着工作频率的提高,电路板布局也至关重要。最佳解决方案还将取决于成本、尺寸和重量的目标,例如:在汽车电机驱动应用中,效率、尺寸和重量都得到了重视,这有可能扩大汽车的行程。外部组件在应用中影响不大,因为涉及的“磁性”是电动机绕组,电动机绕组的缩放比例取决于转矩和功率,而不是开关的频率。因此,不会将电机驱动开关的频率推得太高。

在工业驱动应用中,重量可能不是问题,但是效率和尺寸的改进可以允许在机柜中安装更多的驱动器,从而有可能节省宝贵的工厂占地面积,并提高生产效率。

设计注意项

使用宽带隙器件进行设计时,需要注意一些事项。栅极驱动电压对于实现最佳开关性能至关重要,并且在不同类型之间各不同:例如,Littelfuse(IXYS)为其SiC MOSFET器件LSIC1MO120E0080建议+20V/-5V的工作值和+22V/-6V的最大数值。根据数据手册,栅极阈值电压可低至1.8V,但为了获得最低的导通电阻,应施加20V的电压。当向栅极施加0V电压时,设备将关闭,但通常建议使用负电压来抵消源极连接中极快的di/dt引起的瞬态效应,该瞬态效应与源封装和互连电感发生反应,从而产生瞬态电压,可能会虚假地开启设备。宽带隙器件将在几纳秒内切换,但是许多实际设计会使用串联栅极电阻和铁氧体磁珠故意降低开关边沿速率,以避免EMI和高di/dt问题(图3)。

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图3:符合EMI要求的栅极电阻器控制开关速率(显示SiC级联)

在许多应用中,例如逆变器中的电桥电路会发生“换向”,即,电流由电感负载在开关中反向流动。对于IGBT电路,必须有一个并联二极管以允许换向,但在MOSFET中,本体二极管是固有的,在某些情况下可以代替外部二极管。对于Si-MOSFET,二极管相对较慢并且会降低高电压,因此效率不高。对于SiC MOSFET,二极管要快得多(提到的Wolfspeed器件典型值为45ns),但与快速Si二极管相比,二极管的正向压降仍然较高(3.3V)。GaN器件没有体二极管,但可以通过其通道反向传导,但没有反向恢复电荷。

可用设备

对于非常高频率的应用,为避免寄生效应,首选无铅表面贴装类型,例如:Infineon为其GaN器件而青睐PG-HSOF-8-3封装。不过,大多数供应商都提供含铅TO-247封装的零件以简化散热,并为同一封装中的IGBT或Si-MOSFET等较早的技术提供简便的升级途径。常用器件为常关SiC MOSFET,但也可提供常开SiC JFET。诸如UnitedSiC之类的一些供应商,提供SiC JFET和Si-MOSFET组合的共源共栅。这些器件具有SiC的温度和速度优势,但也具有Si-MOSFET的栅极驱动的简便性。它们没有体二极管,但在低电压降且没有反向恢复的情况下,沿反向传导。它们也有“堆叠”版本,可用于更高的电压的应用。

应用

在功率因数校正和转换阶段,SiC半导体被牢固地建立在AC-DC电源中,数据中心是它们对更高功率密度和节能要求的主要驱动力。SiC现在普遍应用于电机驱动器和逆变器中,电动汽车充电设备则是其主要的应用。电动汽车和铁路等其他领域的牵引逆变器,也正在从IGBT过渡到SiC。此外,其他技术也占有一席之地,但SiC被认为在更高频率和更宽功率范围内占据主导地位(图4)。

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图4:功率开关市场中的SiC (来源: Infineon)

上述提及的SiC器件以及更多器件产品,可从经销商TME Electronic Components[3]处购得。

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