說(shuō)明 SiC MOSFET 在電力電子中的優(yōu)勢(shì)

電力設(shè)計(jì)是由市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)的，以提高效率和生產(chǎn)力，同時(shí)符合法規(guī)要求。最重要的最終用戶(hù)需求幾乎總是更小、更輕、更高效的系統(tǒng)，這得益于功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的重大創(chuàng)新。在硅 MOSFET 和 IGBT 長(zhǎng)期以來(lái)一直在功率半導(dǎo)體中占據(jù)主導(dǎo)地位的地方，寬帶隙 (WBG) 技術(shù)，尤其是碳化硅 (SiC) 技術(shù)的最新進(jìn)展正在為電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)額外的好處，提高效率和更高的電壓能力，從而減少形式因素。

本文簡(jiǎn)要回顧了 SiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì)，并討論了 SiC 器件的關(guān)鍵特性，以指導(dǎo)基于應(yīng)用需求的器件選擇。最后，討論了兩種常見(jiàn)的電力電子應(yīng)用，以展示這些設(shè)備如何為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)價(jià)值。

從硅到 SiC

當(dāng)今最常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體是硅基 MOSFET、功率二極管、晶閘管和 IGBT。硅 MOSFET 主導(dǎo)低于 650V 的低壓市場(chǎng)，而 IGBT 主導(dǎo)高于 650V 的高壓市場(chǎng)。這些器件具有易于驅(qū)動(dòng)的柵極、快速的開(kāi)關(guān)速度、低導(dǎo)通損耗以及并行操作的能力。這已導(dǎo)致廣泛采用各種應(yīng)用，包括便攜式設(shè)備、移動(dòng)電話、筆記本電腦、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和太陽(yáng)能等可再生能源技術(shù)。

盡管硅 MOSFET 和 IGBT 仍將是許多電源應(yīng)用的熱門(mén)選擇，但 WBG 材料的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)促成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(dǎo)率(120-270 W/mK)和更高的電流密度等優(yōu)點(diǎn)。此外，它的低開(kāi)關(guān)損耗以及在高工作頻率下工作的能力，使設(shè)計(jì)能夠以更高的效率工作，同時(shí)減小相應(yīng)磁性元件的尺寸和重量。

如果實(shí)施得當(dāng)，SiC 器件可以為設(shè)計(jì)人員提供重要優(yōu)勢(shì)。緊湊型 SiC 組件可減小整體系統(tǒng)尺寸，這在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等對(duì)空間和重量敏感的應(yīng)用中非常有用。然而，為了實(shí)現(xiàn) SiC MOSFET 的潛在優(yōu)勢(shì)，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(xì)的設(shè)計(jì)導(dǎo)入指南。

設(shè)備設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

SiC MOSFET 容易受到寄生導(dǎo)通 (PTO) 事件的影響，這可能會(huì)在某些條件下導(dǎo)致動(dòng)態(tài)損耗增加，甚至可能導(dǎo)致超出器件的安全工作條件。設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解任何選定的設(shè)備如何受到 PTO 影響以及如何防止這些影響。

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(dāng)漏極電壓升高時(shí)，C dg電容充電，電流也對(duì) C gs充電。如果 V gs達(dá)到柵極閾值，則器件可能會(huì)意外開(kāi)啟，并導(dǎo)致與互補(bǔ)器件發(fā)生短暫的“擊穿”事件。這會(huì)在設(shè)備中產(chǎn)生額外的功率損耗。擊穿的嚴(yán)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(jì)有關(guān)。關(guān)鍵因素包括總線電壓、開(kāi)關(guān)速度 (dv/dt)、PCB 布局和柵極電阻。

設(shè)計(jì)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(jì) MOSFET 對(duì) PTO 事件的敏感性。顯示了當(dāng)前市場(chǎng)上選擇的 SiC MOSFET 的比較，其中每個(gè)器件的感應(yīng)柵極電壓計(jì)算為 V gs =ΔV ds C dg /(C dg +C gs )，工作總線電壓為 600V。

本練習(xí)說(shuō)明了米勒電容如何導(dǎo)致感應(yīng)柵極電壓超過(guò)器件的Vgs,th，從而產(chǎn)生 PTO。還突出顯示，包括英飛凌的CoolSiC MOSFET 在內(nèi)的兩個(gè)采樣器件具有固有的 PTO 抗擾度，因?yàn)檫@些器件的柵極閾值高于計(jì)算的潛在感應(yīng)柵極電壓。

盡管可以使用這種方法估計(jì)設(shè)備對(duì) PTO 影響的敏感性，但這些影響本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，并且很大程度上取決于應(yīng)用程序的具體情況。顯示了一個(gè)硬件設(shè)置——使用EVAL-IGBT-1200V-247評(píng)估板——來(lái)全面表征 SiC MOSFET 器件。

表征練習(xí)的目的是找到 S2 的關(guān)斷柵極電阻的最低值，該值仍可避免寄生導(dǎo)通。在不同負(fù)載電流、溫度和 dv/dt 水平下對(duì)高端開(kāi)關(guān) S1 進(jìn)行了測(cè)試。

顯示了 CoolSiC MOSFET 測(cè)試的結(jié)果。隨著開(kāi)關(guān)速率和溫度的升高，通過(guò)降低關(guān)斷柵極電阻值來(lái)防止 PTO。對(duì)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(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

相同的評(píng)估硬件可用于比較其他設(shè)備的特性。突出顯示了可實(shí)現(xiàn)的最小開(kāi)通損耗以及 SiC MOSFET 器件之間相關(guān)的 dv/dt 開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。

碳化硅 MOSFET 應(yīng)用

快速充電

快速直流電池充電是不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的關(guān)鍵推動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)較高的每次充電比。最先進(jìn)的電池充電器在 DC-DC 級(jí)中使用軟開(kāi)關(guān) LLC 拓?fù)?圖 5a)。使用硅 MOSFET 時(shí)，只有使用 650V 額定器件才能實(shí)現(xiàn)足夠低的動(dòng)態(tài)損耗，因此需要兩個(gè)級(jí)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(qū)動(dòng)器 IC 在內(nèi)的開(kāi)關(guān)位置數(shù)量減半。使用這種 SiC MOSFET 解決方案，在每個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)下僅打開(kāi)兩個(gè)開(kāi)關(guān)位置，而 650V 解決方案中的四個(gè)開(kāi)關(guān)位置。這導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗降低了 50%，同時(shí) SiC MOSFET 的較小輸出電容也降低了關(guān)斷損耗。因此，使用 SiC MOSFET 可將效率提高 1% 以上，對(duì)于雙向充電而言，這相當(dāng)于節(jié)省 2% 以上的電池電量。此外，SiC MOSFET 的部件數(shù)量減少了 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(nèi)部體二極管的特性相結(jié)合，還支持傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)解決方案，例如雙有源電橋。顯著減少控制工作、降低整體復(fù)雜性和減少部件數(shù)量使此類(lèi)解決方案越來(lái)越有吸引力。

伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器是用于工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人系統(tǒng)的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。高性能和緊湊型 DC-AC 電源轉(zhuǎn)換器是這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，與基于 IGBT 的設(shè)計(jì)相比，SiC MOSFET 可以顯著提高驅(qū)動(dòng)器的性能。

SiC MOSFET 支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)高電流環(huán)路帶寬并提高加速、減速和位置控制的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，它們提供了將總損失降低多達(dá) 80% 的潛力。這些降低的大部分是由于開(kāi)關(guān)損耗降低了 50%，即使 SiC MOSFET 被減慢到 5 V/ns 的 dv/dt 水平以匹配 IGBT 開(kāi)關(guān)速度以限制 EMI 并滿足電機(jī)絕緣規(guī)范。

這些損耗降低提供了一些設(shè)計(jì)改進(jìn)選項(xiàng)，例如增加驅(qū)動(dòng)器額定電流、過(guò)載能力或尺寸，以及減少散熱器和風(fēng)扇。它們對(duì)于驅(qū)動(dòng)器集成到電機(jī)中并且冷卻非常有限的系統(tǒng)特別有用。

謹(jǐn)慎的設(shè)備選擇

SiC MOSFET 的低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗是設(shè)計(jì)工程師在更高電壓下需要高工作頻率的關(guān)鍵因素。這為快速電池充電器和伺服驅(qū)動(dòng)器等電力電子應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了許多優(yōu)勢(shì)。然而，碳化硅 MOSFET 可能會(huì)因 PTO 事件而增加損耗，因此需要仔細(xì)選擇器件和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以減輕這些影響。器件對(duì) PTO 的敏感性可以從數(shù)據(jù)表參數(shù)估計(jì)，但可以使用合適的評(píng)估板進(jìn)行更全面的表征。