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SiC器件与Si技术的对比优势及在PFC和Boost转换器、硬/软开关电路、电动汽车牵引逆变器等应用中的趋势

关键词:SiC二极管 车载充电器 电动汽车逆变器

时间:2020-02-21 16:04:10       来源:UnitedSiC

SiC的应用始于2000年,最早在PFC中采用了SiC JBS二极管。随后是在光伏行业中,开始使用SiC二极管和FET。但是,最近在EV车载充电器和DC-DC转换器相关领域应用的激增,显著推动了SiC需求的增长。电动汽车逆变器、650V设备的新兴应用以及服务器电源和5G电信整流器等的应用有望推动SiC需求的快速增长。本文介绍了这些SiC器件相对于现有Si技术的优势。

SiC器件的优点

与IGBT相比,使用SiC FET的优势已得到充分证明。较宽的4H-SiC带隙允许形成电压阻挡层,理想情况下,其电阻要比相应的单极硅器件小100倍。SiC的导热系数也是硅的3倍。现在,可在650-1700V范围内以平面结构和沟槽结构提供性能不断提高的SiC MOSFET,但仍然存在MOS沟道迁移率低的问题。还可以使用基于SiC JFET的共源共栅FET,由于SiC JFET通道具有更高的整体迁移率,因此芯片尺寸更小。在本文的其余部分中,除非有必要进行区分,否则我们将所有这些SiC晶体管都称为SiC FET。在这两者之间,因为它们在大多数情况下可以互换使用的。

图1:第一象限传导中SiC FET与IGBT的导通状态压降

在1200V及更高电压下,硅MOSFET取代了IGBT,IGBT在高负载电流下提供了更低的传导损耗,但是由于更低的传导损耗来自电导率调制,因此带来了开关损耗的损失。IGBT通常与反并联快速恢复PiN二极管一起使用,这也会造成开关损耗,因为只有清除这些二极管中存储的电荷,才能使它们保持截止状态电压。

 

图2:与IGBT,联合 SiC FET 和典型SiC MOSFET一起使用的,不使用反并联肖特基二极管的Si FRD的典型传导特性

PFC和Boost转换器中的SiC二极管

在PFC电路和升压转换器中广泛使用SiC二极管,因为不存在存储的电荷会导致FET中的E(ON)损耗大大降低,无论是在400V总线电压下使用650V超结MOSFET,还是在600V-1500V总线电压下使用快速IGBT。 实际上,使用SiC JBS二极管的优势随电压升高而增加。即使不使用SiC FET作为主要开关器件,这些二极管也能提供提高效率和提高工作频率的途径,这也为这些成熟产品提供了超过1亿美元的市场。

硬开关电路中的SiC优势

表1列出了评估硬交换应用的交换技术时感兴趣的关键数据手册参数。让我们举几个重要的例子。对于服务器电源,根据功率水平,可以使用总线电压为400V的电信整流器和车载充电器,图腾柱PFC拓扑或三相有源前端整流器。为了提高功率密度并降低BOM成本,需要更高的开关频率以减小电感器尺寸。高E(ON)损耗会阻止硅超结FET在连续导通模式(CCM)中使用,即使是由于寿命过长而降低QRR,由于过度损耗和不良的恢复特性,它们也无法使用。所有SiC FET解决方案均具有出色的低QRR二极管,因此大大减少了Eon损耗。与开尔文源封装(如TO247-4L,D2PAK-7L和DFN8x8)一起使用时,设计人员可以将硬开关频率提高2-3倍,这比硅产品高。它还有助于所有SiC FET元件具有较低的TCR,即,导通电阻随温度的增加较小。

表1:相关关键参数

SiC在软开关电路中的优势

在服务器电源和电信整流器以及EV车载充电器和DC-DC转换器中,广泛使用相移全桥和LLC电路进行DC-DC转换。通常,宽带隙开关的价值,尤其是在这些应用中基于SiC的FET的价值来自几个主要特征。首先,SiC FET的Coss低,这允许导通时快速VDS跃迁,然后允许使用高开关频率或宽输入/输出电压范围。其次,可以将软导通开关的截止损耗估算为测得的硬开关关断能量减去存储在输出电容中的能量,表示为EOFF EOSS。如图2所示,对于UF3C120040K4S等SiC FET,关断能量非常低。第三,低R DS(ON)值与高额定电压相结合,使DC-DC转换器可以在800V的电压下工作。第四,SiC FET具有低反向恢复电荷和非常高的电压压摆率能力,范围为100至200 V / ns。这实际上消除了dv / dt引起的故障,而无需降低载波寿命。最后,与SiC MOSFET和GaN HEMT的3至5 V相比,United SiC FET特别具有低的本体二极管压降,通常仅为1.5V。随着频率的升高,体二极管导通的时间百分比增加,从而使空载时间内二极管的导通损耗更加明显。

图3:各种SiC FET选项的有效关断损耗(E OFF  – E OSS)。50A,800V装置的损失在100μJ,该装置仅在该电流在PFSB使用时产生关断100kHz下的损失为10W。在较低的电流下,这些低损耗允许频率高达500kHz

SiC对电动汽车牵引逆变器的好处

硬开关中SiC FET的所有损耗优势都可以使EV牵引逆变器受益,但如果电动机驱动器的工作频率较低,则主要优势必须来自较低的传导损耗。这已经在图1a和1b中显示出来,这是由于每单位芯片面积的电阻较低,并且与IGBT不同,正向传导中没有拐点电压,并且可能存在反向同步传导。

EV应用所需的开关的关键特性是承受各种类型的短路故障。这要求开关承受整个总线电压(对于650V器件为400V,对于1200V器件为800V),同时在栅极完全导通时同时传导高电流,持续2-6µs的时间,直到去饱和电路检测到在施加0.5至2µs的消隐时间后出现短路情况。然后,驱动程序将开关慢慢关闭。在此期间,开关可能会在几微秒内经历300-500°C的温度上升,并且仍必须安全地关闭。此外,交换机最多应处理100或1000个此类事件,而设备参数不会发生变化。

尽管此特性是为IGBT提供的,但SiC MOSFET和GaN HEMT难以达到相同的水平。United SiC共源共栅FET具有独特的能力,能够以最小的芯片尺寸或导通电阻折衷来安全地处理重复性短路。这源于常导通JFET的固有特性,该器件是导电器件,没有栅极氧化物退化,并且可以承受比SiC MOSFET高的温度和电场峰值。此外,由于自加热导致的通道电导的减小迅速减小了器件电流,减慢了加热速率,并使器件在失效之前可以持续更长的时间。

SiC器件在这种模式下通常更坚固,因为这些垂直器件会吸收其体积中的热量,而GaN HEMT是在超薄二维电子气中产生热量的横向器件。

SiC在线性模式应用中的优势

图3显示了SiC常开JFET,SiC MOSFET和Si MOSFET 的归一化V TH对温度特性。显然,只有常导通的SiC FET才能避免V TH随温度下降。如果将某个设备用作电流源,或者甚至是在故意缓慢开关的固态断路器中,则将时间花费在低电流,低(VGS VTH)的范围内。VDS高会导致器件的V TH负温度系数容易受电流丝化影响,并且在比预期低得多的电压下失效。SiC JFET并非如此,这一事实已通过实验验证。因此,SiC JFET在形成电流源,电子负载等方面变得非常有用,在这种情况下,它们必须在这种低电流高电压耗散状态下偏置,而不会破坏到其额定击穿电压。

SiC对电路保护的好处

该V中的事实TH不随温度降低,以优良的限流和SiC JFET的短路能力,和SiC JFET器件的耐受4X比破坏之前硅器件更高的能量耗散能力,使得这些器件在电路断路器非常有用,浪涌电流限制器和负载开关。JFET 在给定的芯片尺寸下具有最低的可用

RDS(ON),具有较低的工作传导损耗,而不会损害这些器件承受重复性过应力事件的坚固性。

柔性高压FET的新颖方法

UnitedSiC展示了针对高压FET的超级共源共栅方法,其中通过串联连接许多正常导通的JFET与低压Si MOSFET和独特的偏置网络构建了非常高的电压开关,从而产生了可用作3端子开关。针对200A,6500V半桥模块的最新开发成果已经由5级串联的1700V JFET构成。该器件可以通过低Qg的单个0至12V栅极驱动器进行切换–与串联的IGBT或SiC MOSFET一样,不需要单独的栅极驱动器。另一个针对低电流开关的演示将supercascode技术应用于40kV单开关。由于较低电压的JFET技术更成熟,并且原材料成本更低,这为设计人员提供了低成本解决方案的选择,最高可达以前无法达到的电压。另外,如果需要特定的电压或电流类别,可以使用United SiC共源共栅和JFET器件轻松完成。

图3:Si MOSFET,SiC JFET和Si MOSFET的V TH随温度的标准化变化情况。负斜率会导致| VGS VTH | 低时的不稳定工作。在高V DS下SiC常导JFET 不存在此问题 

结论

我们在本文中描述了很多基础知识,简要描述了SiC FET和基于SiC JFET的解决方案在各种应用中看到的优势。SiC FET不仅可以改善高频DC-DC和AC-DC应用的设计,而且由于其宽的栅极驱动范围,描述了EV逆变器中UnitedSiC FET从低传导损耗到强大的短路处理能力的优势。以及主动模式下SiC JFET技术以及电路保护应用(尤其是用于高电压和大功率的应用)以及使用较低电压JFET构建模块构建灵活的高电压大电流开关的独特优势。

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