为@@什么超低@@阻抗@@SiC FET受欢迎@@?

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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@@。

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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)。

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@@@@

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@@。

UnitedSiC最近推出的@@低@@@@@@RDS(ON)系列@@SiC FET的@@具体参数@@

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@@。

典型的@@第三象限@@特性@@

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@@@@MOSFETVTH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@@。

半桥开关@@波形@@

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。

一种适合电机驱动应用的@@实现低@@@@dV/dt波形的@@方法@@

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@@@@。

典型的@@短路测试波形@@

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@@。

典型的@@短路测试波形@@

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@@。

两个@@UF3SC120009K4S器件在@@@@VGS = +15/-5V时@@每个以@@60A(总共@@120A)的@@电流@@@@并联开关@@@@

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@@。

UF3SC065007K4S与@@100A SiC JBS二极管@@的@@传导特性比较@@

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@@。

对于@@2级@@,NPC和@@TNPC拓扑架构@@

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@@@@。

文章来源@@: UnitedSiC

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