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第四代SiCFET的优势

2022年04月29日 临汾机械设备网

第四代SiC FET的优势

宽带隙(WBG)半导体现已被接受为高效功率转换的未来。原因:与其他硅基IGBT或MOSFET相比,它们具有更低的导通和开关损耗。自2008年推出WBG碳化硅(SiC)JFET并于2011年推出SiC MOSFET以来,产量,性能和成本都得到了改善,因此,如果可以充分受益,则可以说SiC的总体系统成本低于硅的总体系统成本中国机械网okmao.com。被利用。

第三代和第四代如何叠加

不过,仍然存在一些不便之处。SiC JFET是常开器件,SiC MOSFET需要特定的栅极驱动条件才能获得最佳性能。但是,对于SiC FETS,情况则有所不同。这些器件由SiC JFET和低压硅MOSFET的级联排列形成。它们解决了传统SiC器件的不便之处,并降低了损耗。

第三代SiC FETS在相对高功率的应用中表现出色。低损耗650V,1200V和1,700V零件正成为电动汽车,充电器,替代能源,电路保护和IT基础设施中高效电源转换的关键推动力。第三代SiC FET可以在这些电压水平上取代IGBT和现有硅“超结” MOSFET中的最佳性能。使用堆叠式布置甚至可以实现更高的额定电压,并且当器件并联时可能会有更高的电流。现在,第三代SiC FET为650V和1200V器件提供了同类最低的R DS(ON)值,分别低于7mΩ和9mΩ。

SiC FET Gen 3 / Gen 4:

SiC FET Gen 3 / Gen 4的比较:可能在500 V总线上使用的SiC FET器件的示例性能数据。

由于对更高效率和功率密度的需求,以及更高的热和电气设计裕度,SiC FET技术的发展已经超越了Gen 3。这些目标可以通过进一步减少传导和开关损耗来实现,但设计人员还希望看到更低的成本而又不影响质量。

响应于这样的需求,最新一代的SiC FET具有更好的规格。这些第4代SiC FET的额定电压为750 V,比650 V SiC MOSFET的工作电压裕量大。先进的晶圆变薄和电池密度最大化工艺提高了功率转换效率,从而改善了导通电阻/单位芯片面积(R DS.A)的品质因数(FoM)。该FoM结合了因芯片尺寸而产生的静态和动态损耗的度量。它包括相关的器件电容和反向恢复电荷Q rr的影响。低R DS.A价值意味着晶圆的高产量,并可能降低成本。实际上,导通电阻的低绝对值不会影响电流额定值。高导热率的SiC衬底和先进的银烧结管芯连接技术相结合,可提供良好的热传递。这些好处是在不失去SiC FET容易的0-12V栅极驱动特性的情况下实现的。

第三代/第四代比较

参数直接影响效率的SiC FET器件,如R DS(ON),Q RR和E OSS,都显著更好的R DS.A艮的FoM

FoM

顶部,将SiC FET与一些可比较的SiC MOSFET之间的R DS(ON) xE OSS FoM进行比较:在25°C和125°C的SiC FET FoM清楚地表明了Si FET提供的优势。下面,SiC FET的Gen 4 Q rr低于Gen 3的SiC FET ,并且随温度变化很小。点击图片放大。

4.第4代器件的导通电阻随温度升高的速率更高,但是与SiC MOSFET等替代技术相比,这种效率被整体效率的提高所抵消。此外,第四代器件的短路耐受时间从3微秒提高到8微秒,是原来的两倍以上。对于所考虑的器件,体二极管的浪涌电流承受能力在1,570 A时约为两倍。

另一个FoM,R DS(ON) ×E OSS,在图腾柱PFC级或标准两电平逆变器等硬开关应用中也是有用的度量。在这些电路中,设备输出电容C OSS从高电压快速放电,从而可能产生高瞬态功耗。第四代器件可以设计为使C OSS和由此产生的存储能量E OSS保持较低,但通常以芯片导通电阻和随之而来的传导损耗为代价。因此,FoM R DS(ON) ×E OSS抓住了折衷方案。

在硬开关应用中,重要的是要使任何体二极管效应中的反向恢复能量保持较低,以保持高效率。在第4代设备中,该能量随温度的变化较低。

当设备反向或“第三象限”导通时,压降也很重要。在SiC FET中,该值低于SiC MOSFET。在SiC FET中,压降是JFET沟道电压(在1.3 V左右反向传导)与共封装Si MOSFET的体二极管的“拐点”电压之和。由于Si MOSFET是低电压类型,拐点电压约为0.7 V,因此总电压为2V。SiCMOSFET中的可比数字约为3-5 V,因此MOSFET将按比例耗散更多的能量。

COSS(tr)

低C OSS(tr)可在SiC FET中实现更高的可用开关频率。

LLC和PSFB转换器等软开关应用也受益于SiC FET的使用。这些电路中的峰值电流可能很高,而低的R DSON值则使传导损耗保持较低。另外,由于SiC FET的低输出电容C OSS(tr)值,因此开关截止延迟更短,因此可以使用更高的开关频率。

在许多应用中,重要的是要最大化开关频率,以获得较小的无源元件(尤其是磁性元件)的附带好处。

R DS(ON) ×C OSS(tr)对软交换性能有用。在此度量标准中,典型的SiC FET与其他同类SiC MOSFET可以很好地比较。

FoM

SiC FET的FoM R DS(ON) xC OSS(tr)和同级别的可用SiC MOSFET。

第四代SiC FET明显比同类SiC MOSFET具有更高的效率优势,但并不以易于使用为代价。集成了ESD钳位二极管,仍可通过最大为±20 V的0-12 V栅极信号有效地驱动最新一代器件。与SiC MOSFET不同,栅极阈值约为5 V,并且名义上与温度无关。

SiC FET栅极驱动器的级别与传统的Si MOSFET或IGBT兼容,从而简化了将SiC FET加装到较旧设计中以提高性能的任务。如果设计人员在这些传统设计中优化了栅极电阻器并减少了缓冲器,则SiC FET的交换可带来更高的效率和更低的成本。甚至SiC FET栅极驱动电路中的损耗也大大降低,从IGBT电路中的瓦数降至接近零。与旧的开关技术不同,SiC FET实际上没有米勒效应,从而避免了随着漏极电压升高而产生幻像导通的问题。同样,SiC FET具有开尔文(Kelvin)源连接,可防止源封装连接电感与栅极驱动环路相互作用,从而产生类似的有害杂散导通效应。

凭借更高的效率,更高的功率密度和更低的系统成本,对于具有400或500V总线电压的应用,750 V Gen 4 SiC FET是极具吸引力的选择。与其他技术中常用的650V额定设备相比,它们具有更高的裕度。带有Kelvin连接选项的标准化包装和先进的散热设计,使这些零件易于在传统和新兴应用中实施为新的和旧式电源转换产品。

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