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[導讀]據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)IHS,從2016年到2027年SiC和GaN應用將激增,包括電動/混動汽車及充電樁基礎(chǔ)設施、太陽能逆變器、電源、工業(yè)電機驅(qū)動、不間斷電源(UPS)、軍事/航空等應用領(lǐng)域,其中電動/混動汽車、太陽能逆變器、電源將是主要的應用市場。

市場趨勢和更嚴格的行業(yè)標準推動電子產(chǎn)品向更高能效和更緊湊的方向發(fā)展。寬禁帶產(chǎn)品有出色的性能優(yōu)勢,有助于高頻應用實現(xiàn)高能效、高功率密度。安森美半導體作為頂尖的功率器件半導體供應商,除了提供適合全功率范圍的高性能硅方案,也處于實現(xiàn)寬禁帶的前沿,具備全面的寬禁帶陣容,產(chǎn)品涵蓋碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)分立器件、模塊乃至圍繞寬禁帶方案的獨一無二的生態(tài)系統(tǒng),為設計人員提供針對不同應用需求的更多的選擇。

寬禁帶應用趨勢

據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)IHS,從2016年到2027年SiC和GaN應用將激增,包括電動/混動汽車及充電樁基礎(chǔ)設施、太陽能逆變器、電源、工業(yè)電機驅(qū)動、不間斷電源(UPS)、軍事/航空等應用領(lǐng)域,其中電動/混動汽車、太陽能逆變器、電源將是主要的應用市場。

圖1直觀地表示了各功率器件的頻率、輸出功率及汽車寬禁帶應用。Si的功率覆蓋范圍較廣,但頻率不上去。超級結(jié)(SJ)的產(chǎn)品可以提高工作頻率,使用的范圍更廣一點。SiC相對具有高頻、高功率的能力,但頻率范圍比GaN低一點,而GaN有最高頻率范圍,功率卻相對低一點。

以汽車應用為例,在汽車功能電子化的趨勢下,為實現(xiàn)更高的能效,要提高電池電壓,這就需要考慮寬禁帶方案。如SiC可用于要求小型化、高功率的應用,如牽引逆變器,采用400 V電池的逆變器能效增加65%,采用800 V電池的逆變器能效提升則可達80%。

GaN則在車載充電(OBC)方面更有優(yōu)勢,因為OBC的可用空間有限,而GaN頻率范圍更高,可縮減系統(tǒng)體積,降低開關(guān)損耗,實現(xiàn)更高能效。

封裝將是市場上寬禁帶產(chǎn)品用于汽車的關(guān)鍵:高功率模塊用于逆變器以優(yōu)化散熱,減小尺寸;為支持高能效的高頻開關(guān),需采用極低電感的封裝或模塊用于OBC。

 

 

圖1:各類功率器件的頻率、輸出功率范圍及汽車寬禁帶應用

當然,還有很多系統(tǒng)采用Si技術(shù)就可以滿足需求,寬禁帶器件的成本比硅器件要高,所以需要根據(jù)應用需求和成本去綜合考量具體使用哪一種技術(shù),以優(yōu)化設計。安森美半導體的優(yōu)勢在于擁有全系列Si、SJ、SiC和GaN技術(shù)以支持客戶。

安森美半導體的SiC二極管具有同類最佳的性能和可靠性

SiC二極管沒有反向恢復電流,開關(guān)性能與溫度無關(guān),這比硅二極管大大降低了開關(guān)損耗,具有更佳的熱性能,從而實現(xiàn)更高能效。更快的開關(guān)還支持設計人員減少磁性線圈和相關(guān)的無源器件的尺寸,從而增加功率密度,降低物料單(BOM)成本。SiC產(chǎn)品能穩(wěn)定的開關(guān)于寬溫度范圍,零電壓恢復消除了電壓過沖也有助于SiC的高性能。

安森美半導體的SiC技術(shù)具有獨特的專利終端結(jié)構(gòu),進一步加強可靠性并提升穩(wěn)定性和耐用性,提供更高的雪崩能量、業(yè)界最高的非鉗位感應開關(guān)(UIS)能力和最低的漏電流。安森美半導體的650 V和1200 V SiC技術(shù)結(jié)合優(yōu)越的開關(guān)性能、更高可靠性和低電磁干擾(EMI),非常適合下一代電源轉(zhuǎn)換應用,如太陽能逆變器、電源、電動汽車和工業(yè)自動化。其中,650 V、1200 V SiC二極管系列分別提供6 A到50 A、5 A到50 A的額定電流,都提供表面貼裝和通孔封裝,包括TO-247、TO-220、D2PAK、DPAK和易于以現(xiàn)有的電路板制造能力整合的裸片/晶圓,且都具有零反向恢復、比同類最佳的競爭器件更低的正向電壓、不受溫度影響的電流穩(wěn)定性、承受更高的浪涌電流和正溫度系數(shù),從而實現(xiàn)極佳的強固性。

例如,安森美半導體1200 V、15 A的一款SiC二極管,雪崩電流接近200 A (3500 A/cm2),8.2 ms 脈沖可以承受158 A (>10倍 額定值) 非破壞性的浪涌電流,33 µs 脈沖可以承受740 A更高的浪涌電流,而小很多的電流將會使一個平面肖特基二極管發(fā)生故障。我們在85C/85% RH的高溫度/濕度/偏置VCE=960V的測試條件下進行了對比測試,結(jié)果顯示,競爭SiC器件(1200V、8A)在168小時后發(fā)生故障,而安森美半導體SiC器件(1200V, 10A)通過了1000小時的測試,可見安森美半導體的SiC二極管的可靠性更高。

 

 

表1. 安森美半導體的650 V SiC二極管

 

 

表2. 安森美半導體的1200 V SiC二極管

其中,F(xiàn)FSHx0120和FFSHx065是符合AEC-Q101車規(guī)的汽車級SiC二極管,能在惡劣的電氣環(huán)境中可靠地工作,為汽車應用帶來能效、性能、功率密度等多方面的顯著優(yōu)勢。

SiC MOSFET門極驅(qū)動器用于高性能的工業(yè)逆變器和電機驅(qū)動器

SiC MOSFET有獨特的門極驅(qū)動要求。安森美半導體的NCP51705 是經(jīng)優(yōu)化的SiC MOSFET門極驅(qū)動器,具備高度的靈活性和集成度,能高效、可靠地驅(qū)動市場上任何SiC MOSFET。峰值輸出電流高達6 A,正額定電壓可擴展,集成負壓充電泵,能提供-5 V驅(qū)動電壓,可調(diào)的欠壓保護(UVLO),退飽和(DESAT)檢測短路保護,過熱關(guān)斷保護。NCP51705支持設計人員根據(jù)需求進行調(diào)試,具有簡單的BoM,無需額外的DC-DC電路,提供負壓實現(xiàn)快速關(guān)斷,采用4 mm x 4 mm QFN24的極小封裝,適用于工業(yè)逆變器、電機驅(qū)動、高性能功率因數(shù)校正(PFC)、AC-DC及DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖2所示為SiC MOSFET門極驅(qū)動器NCP51705的典型線路圖。

圖2:典型的半橋隔離門極驅(qū)動電路

SiC MOSFET門極驅(qū)動器要點包括:

Ø 類似于傳統(tǒng)的硅MOSFET驅(qū)動器, 在開關(guān)時提供高峰值電流,以對CGS和CGD電容快速充放電

Ø 為實現(xiàn)最低的RDS(ON,在導通時間內(nèi)需要提供20V至22V 門極驅(qū)動電壓

Ø 為實現(xiàn)最快的關(guān)斷速度和在關(guān)態(tài)期間不受dV/dt 影響,在關(guān)斷期內(nèi)驅(qū)動器應將門極拉至 約-5V

Ø 通過使用低電感封裝或共同封裝來減輕驅(qū)動或開關(guān)時源電感的負反饋效應,如漏感引起的振蕩、干擾等

安森美半導體提供寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)

為加速設計,安森美半導體提供一個重點圍繞寬禁帶方案的獨一無二的生態(tài)系統(tǒng),包括SiC、GaN、門極驅(qū)動、創(chuàng)新的封裝和先進的仿真工具SPICE模型。該SPICE模型直觀、準確、具預測性,支持系統(tǒng)級仿真,設計人員可有把握地仿真數(shù)據(jù)表中未涵蓋的工作條件,從而提前在仿真過程進行評估,加快開發(fā)流程。該SPICE模型還可連接到多種行業(yè)標準的仿真平臺端口。

總結(jié)

 

寬禁帶產(chǎn)品提供卓越的性能優(yōu)勢,將越來越多地用于太陽能逆變器、電動汽車、數(shù)據(jù)中心等高壓電源應用,但目前成本壓力較大,而有些系統(tǒng)其實用硅方案就可滿足需求,所以硅方案也是有很大的使用空間,并且超級結(jié)技術(shù)可延展硅的使用場景。安森美半導體作為全球第二大電源半導體供應商,提供適合全功率范圍的高性能硅方案、650 V和1200 V SiC二極管,并即將推出1200V SiC MOSFET和650V GaN MOSFET,配以先進的封裝技術(shù)和直觀、準確的SPICE模型,有助于提供一個完整的生態(tài)系統(tǒng),幫助設計人員以適當?shù)某杀緦崿F(xiàn)最適合應用所需的優(yōu)化的設計,并加快設計進程。

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