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明升m88备用上网导航 技术文章—为什么超低阻抗SiC FET受欢迎?

2020-01-09 13:24:01来源:admin

明升m88备用上网导航 技术文章—为什么超低阻抗SiC FET受欢迎?

明升m88备用上网导航,功率半导体开关通常在用于电路设计时,能够在不增加开关损耗的情况下减小电流传导期间的损耗,这是其一大优势。在各种电路保护应用中,器件需要连续传送电流,较低的传导态损耗有利于使系统保持较高的效率,并将产生的废热降至最低。如果在这些应用中需要放心地使用这些功率开关,必须满足各种类型的耐用性标准。

在本文中,我们将讨论最先进的低阻抗功率半导体开关,介绍其关键特性和应用优势。这些开是由unitedsic开发,采用堆叠式共源共栅(cascode)技术,其中将一个特殊设计,阻抗低于1mΩ的硅低压mosfet堆叠在一个阻抗低于10mΩ的650~1200v常开型碳化硅(sic) jfet之上。所形成的复合器件被称为sic fet,可以像标准硅器件一样进行驱动,但是与硅igbt、硅mosfet和sic mosfet相比,具有许多优势。

什么是堆叠式共源共栅?

与包括sic mosfet、硅mosfet和gan hemt在内的其他可用功率晶体管相比,常开型sic jfet的单位芯片面积具有更低的导通阻抗。如图1a所示,当低压mosfet堆叠在jfet上时,为了实现图1b的共源共栅架构,就形成了低阻抗常关断型开关,称为堆叠式共源共栅,其阻抗是低压mosfet和sic jfet阻抗之和,根据所选择的mosfet和jfet的不同,其阻抗可能比jfet阻抗高5~20%。

图2显示了8.6mΩ,1200v堆叠芯片uf3sc12009z的尺寸。由于在组装之前将低压mosfet预堆叠在jfet上,因此该复合器件与标准组装管芯连接和引线键合设备兼容。而且,很有意义的是,该器件适合用于电源模块,并且还可通过to247-4l封装提供(器件名称uf3sc12009k4s)。

图1:(a)使用一个低压硅mosfet堆叠在高压常开型sic jfet源极焊盘上方形成的共源共栅。(b)共源共栅sic fet的最终电路配置。

表1列出了unitedsic最近推出的低rds(on)系列sic fet的具体参数。请注意,在to247封装中,两个阻抗最低器件的额定电流为键合线和引线限制。

导通状态和热特性

虽然产品数据手册可以提供器件特性的详细信息,但这里值得查看其中一些关键功能。器件的栅极具有保护esd二极管,其在±26v时击穿。

硅mosfet的额定电压为±20v,vth为5v,并且没有传统sic mosfet通常遇到的磁滞或不稳定性。它可以采用与现有sic mosfet、si mosfet或igbt兼容的栅极电压驱动。负栅极偏压的使用没有限制,尽管给定5v vth,但大多数应用仍可通过简单的0~12v栅极驱动来完成。

sic fet rds(on)具有正温度系数,如表1和图3a所示,考虑到许多应用需要将sic fet器件并联使用,该特性非常有用。

图3a表明650v uf3sc065007k4s的rds(on)升高远低于硅超结mosfet。显然,在125~150℃时的传导损耗甚至比可用的最佳超结硅mosfet低2.5倍至4倍。如果将1200v器件与sicmosfet进行比较,在125-150℃时它们rds(on)随温度的升高速率相差不大,具有相似的rds(on)(25℃)。从图3(右侧图)还可以清楚地看出,uf3sc120009k4s在所有温度下都呈现出在to-247中具备最低的rds(on)fet,而且优势很大。

sic fet导通状态下的第三象限特性优于sic mosfet,这是由于在jfet rds(on)串联时,其压降相当于0.7v的硅结压降。典型的第三象限特性如下述图3b所示。

图3b:uf3sc120009k4s的第三象限(续流模式)导通状态特性(左)和qrr(右)与温度的关系。请注意,在100a时vgs = 0,-5v时的低导通压降为1.65v,1200-1300nc的低qrr值几乎与温度无关。

低vf也伴随有出色的低qrr值(例如uf3sc120009k4s为1200-1300nc,uf3sc065007k4s为850nc)。

低rds(on)系列器件均采用烧结银技术来提供最佳的热性能,如表1(最大rthjc柱)所示。此外,这有助于使mosfet和sic jfet都很薄,并且sic的导热率(3.7w / cm-k)与铜(3.85w/cm-k)相当。这些器件的tjmax额定值为175℃,但由于mosfet vth保持在3v以上,并且其泄漏很低(如图2特性所示),因而它们可以在tj> 200℃时正常工作,而不会出现热失控情况。

开关特性

表1显示了sic fet数据手册中的低开关损耗。eon和eoff几乎与温度无关,并且都很低。 eon通常大于eoff,这在大多数宽带隙(wbg)器件中都是如此。因此,这些器件在硬开关和软开关电路中都很有用,特别是非常适用于电动汽车逆变器。

从图4a中的半桥开关波形可以看出,sic fet的体二极管恢复特性非常出色。

图4a:unitedsic双脉冲演示板上的半桥开关波形。rgon = rgoff = 5Ω,并且在每个器件上都施加了680pf,5Ω的rc缓冲器。

这里使用了一个小的rc缓冲器,以减少关断电压过冲,当通过单个to247-4l器件驱动100a电流时这是必需的。低电压mosfet的贡献约为100nc,主要来自其coss,观察到的其余qrr来自sic jfet输出电容的qoss。由于lv mosfet的存储电荷很少,测量的qrr随温度变化很小(图3b),观察到的大多数qrr与器件电容充电有关。在650v时,uf3sc065007k4s的该值为850nc,这是其优于任何超结mosfet的关键优势所在。超级结mosfet的qrr要高出10~50倍,并且在硬恢复下具有dv/dt限制。

由于20~50v/ns的正常开关dv/dt对于某些逆变器应用而言可能过快,因此图4b显示了用于在导通和关断期间实现低dv/dt几种技术中的一种(90%/10% dv/dt_导通=5.7v/ns, dv/dt_关断=4.1v/ns)。仅使用rg值来实现这些低dv/dt会导致过长的延迟时间,因此,除了rg之外,还可以使用外部cgd电容器来达到目标dv/dt。

图4b:一种适合电机驱动应用的实现低dv/dt波形的方法。开关条件为75a/800v,带有33Ω的rg和68pf的外部cgd电容器。在unitedsic双脉冲演示板上测得半桥开关波形。

雪崩和短路特性

图5显示了uf3sc120009k4s在两种情况下的典型雪崩特性。在低电流、高电感状态下,这些器件可以处理>5.5j,额定值为550mj。有趣的是,在较短的电感尖峰下,uf3sc120009k4s的峰值雪崩电流处理能力超过200a,这是sic fet独特的工作方式所致,其中jfet从自偏置状态进入工作模式,能够安全地吸收雪崩电流。

图6显示了典型的短路测试波形。峰值短路电流为1200a,并且由于jfet决定了该峰值短路电流,电流会由于jfet的自发热而迅速下降。sic fet在重复性短路时不会降低性能,这是源自sic jfet固有的牢固性。在这种短路事件期间,低电压mosfet上的电热应力可以忽略不计。

sic fet的并联工作特性

图7显示了并联时sic fet的典型特性。由于rds(on)的正温度系数,导通状态电流会达到一定平衡。开关期间电流平衡的主要原因是由于开关特性实际上是由sic jfet而不是低电压mosfet控制。由于sic jfet的vth不会随温度而降低,因此不会招致由于vth不平衡而导致一个开关导通更快而关断更慢。这也有助于使体二极管针对大部分工作电流具有正温度系数,而对qrr则具有很小的温度依赖性,或根本没有。重要的是要注意,与所有开尔文源器件一样,在每个栅极返回路径中增加一个阻抗也很重要。

图7:两个uf3sc120009k4s器件在vgs = +15/-5v时每个以60a(总共120a)的电流并联开关,每个栅极使用15Ω rg,在栅极返回路径为1Ω。在高速开关条件实现了出色的共享。

应用案例:电动汽车逆变器中的低rds(on)sic fet

鉴于低rds(on)sic fet这些理想的特性,电动汽车逆变器是非常适合于这些低rds(on)开关的一个应用。虽然电源模块通常是电动汽车逆变器模块的首选,但这些器件有助于实现构建相当低成本的电动汽车逆变器。表2显示了电动汽车逆变器采用uf3sc120009k4s估算的损耗与基于最先进igbt模块解决方案的对比。每个开关使用6个并联单元构成的解决方案在200kw输出时可以将工作损耗降低3倍,这对于增大车辆续航里程、扩展电池容量和减轻逆变器的冷却负担都非常有利。另外,这些开关可用于提高开关频率,有助于减轻逆变器的电流纹波,并提高电机效率和寿命,使得这些开关成为高转速电机逆变器的绝佳选择。

应用案例:电动汽车快速充电器

针对350kw的电动汽车快速充电器,必须向400v电池提供875a的电流,或向800v的电池提供一半的电流。典型的充电器电路可能需要在高频变压器的次级线圈上使用sic二极管,以整流传递到电池的电压。将sic fet用作同步整流器可以将损耗降低至少2倍,图8显示了uf3sc065007k4s与100a sic jbs二极管的传导特性比较。如果大功率模块中的每个器件都以100a电流(例如50%的占空比)使用,则二极管在125℃时会下降2v,损耗为100w,而sic fet在125℃时可能会只有0.9v的电压降低,导致每个fet仅损耗45w,相当于改进了2倍。

鉴于这些器件具有出色的传导和开关损耗,能够在标准的主动前端(pfc级)和dc-dc(相移全桥/ llc)初级提供峰值效率,用户可以减少并联开关的数量,简化组装,甚至可以将单个充电器的功率从15kw提升到30-50kw。uf3sc065007k4s可以允许用户借助分立器件将vienna整流器推到新的功率水平,或者1200v器件可以提供一个同样高效的简化两电平架构路径。

应用案例:光伏逆变器、焊接和ups电路

这些器件具备传导损耗和开关损耗的完美结合,可以非常有效地用于高性能两电平

、npc和tnpc电路,以最大限度地提高逆变器效率,并突破采用分立器件可处理的功率水平极限。 sic fet栅极驱动器的简捷性是控制成本的另一个重要因素。

图9比较了在总线电压为800v,频率为12.5khz、25khz和50khz的60kva逆变器中由于半导体功率损耗而导致的效率估算。两电平解决方案每个开关位置使用一个uf3sc120009k4s,因此仅需要6个晶体管和栅极驱动器。tnpc每相使用两个uf3sc120009k4s和两个 uf3sc065007k4s,而npc情况则每相使用四个uf3sc065007k4s。tnpc和npc选项使用12个晶体管和12个栅极驱动器,即使在50khz时也能提供高于99%的效率。与基于模块的方法相比,可以节省大量成本。

图9:对于2级,npc和tnpc拓扑架构,在3个工作频率下具有800v dc链路的60kva太阳能逆变器的损耗评估,其中效率仅考虑了功率半导体的损耗。该功率水平之前通常是采用电源模块来实现,但现在可以通过unitedsic分立器件来完成。

应用案例:固态断路器

unitedsic展示了一个使用六个并联uf3sc120009芯片构成的2mΩ,1200v sot227开关,主要针对大电流固态功率控制器和断路器应用。但在较低电流下,这些低rds(on)fet可以单独或并联形式来实现这些功能。

虽然简单的负载开关只需要低的导通阻抗和良好的热性能,但对于某些应用可能要求更多。例如在线性模式下使用此器件构成电子负载,在这种模式下,特别是在600~1200v的高电压下,jfet可以应对大部分功率损耗。由于其vth不会随温度下降,因此它不会在管芯内形成热点,因此可以在这些条件下稳定运行。

图10显示了使用带有高rgoff阻抗的uf3sc120009k4s来稳定运行非常缓慢的关断转换。固态功率控制器中需要缓慢的导通和关断转换,以最大程度地减小切换到高电感线路时产生的电压尖峰。

结论

设计人员将会发现,这些采用熟悉的to247-4l封装,具有出色的开关损耗,同时具备极低rds(on)的器件在构建更高功率逆变器、充电器和固态断路器时能够提供非常高的价值。这些器件具备的高vth值以及与硅和sic栅极驱动电压的兼容性能够进一步简化设计,同时这些器件由于其内在的坚固耐用,并且能够并联运行,使设计人员可以采用这些器件来替换电源模块。

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