说明 SiC MOSFET 在电力电子领域的优势

2021-06-15

说明 SiC MOSFET 在电力电子领域的优势

电力设计是由市场需求驱动的，这些需求在符合法规要求的同时提高效率和生产力。最重要的最终用户需求几乎总是对更小、更轻、更高效的系统，这是通过功率半导体设计的重大创新实现的。长期以来，硅 MOSFET 和 IGBT 在功率半导体中占据主导地位，而宽带隙 (WBG) 技术，尤其是碳化硅 (SiC) 的最新进展正在为功率电子系统的设计人员带来额外的好处，提高效率和更高的电压能力，导致降低形式因素。

本文简要回顾了 SiC MOSFET 的优势，并讨论了 SiC 器件的关键特性，以便根据应用要求指导器件选择。最后，讨论了两种常见的电力电子应用，以展示这些设备如何为设计人员提供价值。

从硅到碳化硅

当今最常见的功率半导体是硅基 MOSFET、功率二极管、晶闸管和 IGBT。硅 MOSFET 在低于 650V 的低压市场占据主导地位，而 IGBT 在高于 650V 的高压市场占据主导地位。这些器件具有易于驱动的栅极、快速开关速度、低传导损耗和并行操作能力。这导致广泛采用广泛的应用，包括便携式设备、移动电话、笔记本电脑、无线网络基础设施、电机驱动器和太阳能等可再生能源技术。

虽然硅 MOSFET 和 IGBT 仍将是许多电源应用的流行选择，但 WBG 材料的持续发展已经实现了一系列新的电源应用。与硅相比，SiC 尤其具有更高的热导率（120-270 W/mK）和更高的电流密度的优点。此外，其低开关损耗以及因此能够在高工作频率下工作的能力，使设计能够以更高的效率工作，同时减少相应磁性组件的尺寸和重量。

如果实施得当，SiC 器件可为设计人员提供重要优势。紧凑的 SiC 组件可以减小整体系统尺寸，这在电动汽车 (EV) 等空间和重量敏感的应用中非常有用。然而，为了实现 SiC MOSFET 的潜在优势，所选器件必须与应用的特定需求相匹配，并且必须遵循仔细的设计指南。

设备设计注意事项

SiC MOSFET 容易受到寄生导通 (PTO) 事件的影响，这会导致在某些条件下增加动态损耗，甚至可能导致超出设备的安全工作条件。设计人员应该了解任何选定的设备可能会受到 PTO 效应的影响以及如何防止它们。

PTO 的一个主要原因是米勒电容 C dg，它在开关事件期间将漏极电压耦合到栅极。当漏极电压升高时，C dg电容充电，电流也会对 C gs充电。如果 V gs达到栅极阈值，器件可能会意外开启并导致互补器件发生短暂的“直通”事件。这会在设备中产生额外的功率损耗。击穿的严重程度以及相关损耗的大小与 MOSFET 的工作条件和相关电路的设计有关。关键因素包括总线电压、开关速度 (dv/dt)、PCB 布局和栅极电阻。

设计人员可以通过考虑电容比 C dg /(C dg +C gs ) 和栅极阈值电压 V gs,th来估计 MOSFET 对 PTO 事件的敏感性。图 1显示了当前市场上精选的 SiC MOSFET 的比较，其中每个器件的感应栅极电压计算为 V gs =ΔV ds C dg /(C dg +C gs )，工作总线电压为 600V。

图 1器件对 PTO 敏感性的比较显示了米勒电容如何导致栅极电压过高。

本练习说明了米勒电容如何导致感应栅极电压超过器件的 V gs,th，从而导致 PTO。图 1 还强调了两个采样器件，包括来自英飞凌的CoolSiC MOSFET，对 PTO 具有固有的免疫力，因为这些器件的栅极阈值高于计算的潜在感应栅极电压。

虽然使用这种方法可以估计设备对 PTO 效应的敏感性，但这些效应本质上是动态的，并且在很大程度上取决于应用的具体情况。图 2显示了一个硬件设置——使用EVAL-IGBT-1200V-247评估板——来全面表征 SiC MOSFET 器件。

图 2 SiC MOSFET 表征的评估设置有助于估计器件对 PTO 效应的敏感性。

表征练习的目的是找到 S2 的关断栅极电阻的最低值，同时避免寄生导通。在不同负载电流、温度和 dv/dt 水平下对高边开关 S1 进行了测试。

图 3显示了 CoolSiC MOSFET 测试的结果。随着开关速率和温度的升高，通过降低关断栅极电阻的值来防止 PTO。对于该器件，即使在 50 V/ns 的电压斜率和 175ºC 的温度下，0V 的关断栅极电压也足以防止 PTO，从而简化了栅极驱动电路的设计。

图 3表征结果显示了如何防止 PTO。

可以使用相同的评估硬件来比较其他设备的特性。图 4突出显示了 SiC MOSFET 器件之间相关的 dv/dt 开关瞬变可实现的最小导通损耗。

图 4这是最小开关损耗与可实现开关速度之间的比较。

碳化硅MOSFET应用

快速充电

快速直流电池充电是不断增长的电动汽车市场的关键推动因素，可实现高范围的每次充电率。最先进的电池充电器在 DC-DC 阶段使用软开关 LLC 拓扑（图 5a）。使用硅 MOSFET 时，只有使用 650V 额定器件才能实现足够低的动态损耗，因此需要两个级联 LLC 全桥来支持 800V 直流链路电压。

通过使用额定电压为 1,200V 的 SiC MOSFET，包括驱动器 IC 在内的开关位置数量减半（图 5b）。使用这种 SiC MOSFET 解决方案，在每个导通状态中只有两个开关位置打开，而 650-V 解决方案中有四个。这导致传导损耗降低 50%，同时由于 SiC MOSFET 的较小输出电容而降低了关断损耗。因此，使用 SiC MOSFET 可将效率提高 1% 以上，对于双向充电而言，相当于电池电量节省 2% 以上。此外，碳化硅 MOSFET 的部件数量减少 50%，外形尺寸更小，从而减少了所需的 PCB 面积。

1,200V SiC MOSFET 的整体低开关损耗与其内部体二极管的特性相结合，也支持传统的硬开关解决方案，例如双有源电桥（图 5c）。显着减少的控制工作、整体较低的复杂性和减少的部件数量使此类解决方案越来越有吸引力。

图 5三相快速电池充电配置突出了使用 SiC MOSFET 的优势。

伺服驱动器是用于工业自动化和机器人系统的高性能电机驱动器。高性能且紧凑的 DC-AC 电源转换器是这些驱动系统的核心，与基于 IGBT 的设计相比，SiC MOSFET 可以显着提高驱动器的性能。

碳化硅 MOSFET 支持更高的开关频率，从而实现高电流环路带宽和改进的加速、减速和位置控制动态性能。同时，它们有可能将总体损失降低多达 80%（图 6）。这些降低大部分是由于开关损耗降低了 50%，即使将 SiC MOSFET 减慢到 5 V/ns 的 dv/dt 水平以匹配 IGBT 开关速度以限制 EMI 并满足电机绝缘规范。

图 6碳化硅 MOSFET 可以显着降低整体损耗，进而提高逆变器性能。

这些损耗减少提供了一些设计改进选项，例如增加驱动电流额定值、过载能力或尺寸，以及减少散热器和风扇。它们对于将驱动器集成到电机中且冷却非常有限的系统特别有用。

谨慎的设备选择

SiC MOSFET 的低导通和开关损耗是设计工程师需要在更高电压下实现高工作频率的关键因素。这为电力电子应用（例如快速电池充电器和伺服驱动器）的设计人员带来了许多优势。然而，碳化硅 MOSFET 会因 PTO 事件而遭受更大的损失，因此需要仔细选择器件和驱动电路设计以减轻这些影响。器件对 PTO 的敏感性可以从数据表参数中估算出来，但可以使用合适的评估板进行更全面的表征。