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第三代宽带隙半导体为高功率转换和马达控制带来新机遇

时间:2020-11-10 作者:Mark Patrick 阅读:
宽带隙半导体预示着业界能够达到新的能效水平和更高的开关频率,同时容许马达栅极驱动和功率转换电路具有更高的工作温度。采用基于碳化硅和氮化镓的MOSFET和晶体管器件,以及互相补充的设计资源,现在可以帮助工程师实现下一代设计集成。
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由于多年的研发和创新,电子行业中的某个部门常常每隔一段时间就会获得重大的技术进步。最近,电力电子领域即从半导体工艺技术的创新中受益匪浅,并推动了宽带隙(WBG)器件的发展。几十年来,硅一直是首选的半导体材料。但是,对其他化合物半导体材料,尤其是对碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的研究导致更高效,更小巧且更坚固的半导体器件,从而为功率转换和马达驱动等应用注入了新的活力,并带来了显著的性能优势。

在半导体物理中,带隙是指固态材料中价带(valence band)和导带(conduction band)之间的能量范围,在其中不存在任何电态(electrical state)。跨越带隙需要电子拥有足够的能量(以电子伏特(eV)为单位),以实现传导并产生电流。带隙属性相对较低的材料通常都是半导体,带隙属性较高的材料则为绝缘体。例如,硅的带隙特性为1.1eV,而氮化镓和碳化硅的带隙值相似,范围在3.2eV~3.4eV之间,大概是硅的三倍,由这些复合材料制成的功率半导体器件(例如MOSFET和JFET)更适合于马达栅极驱动器和开关电路等高压应用。高带隙值还能够实现较低的泄漏电流,而高电子饱和速度则允许器件在高开关频率下工作。

碳化硅和氮化镓等宽带隙材料与硅之间的其他电气差异还包括介电击穿电压明显较高,以及较高的电子迁移率。相比硅的约0.3MV/cm,SiC与GaN的击穿电压分别为3.5MV/cm和3.3MV/cm,这表明宽带隙器件的击穿电压特性至少比硅器件好十倍。

电子迁移率是表征电子在化合物半导体中移动速度的一个指标,它突显了SiC和GaN之间的差异以及它们分别适合的应用。GaN的电子迁移率为2000cm^2/Vs,而硅为1500cm^2/Vs。但是,SiC的电子迁移率要慢得多,大约为650cm^2/Vs,因而不适用于高速开关应用。但是,GaN的电子迁移率是SiC的三倍,适合在更高的开关频率下工作。

宽带隙器件的技术优势

热导率是会影响高功率转换和马达驱动应用的另一个物理特性。器件内产生的热量需要尽可能高效地传导出去,而导热率指标则表示材料通过自身进行热量传导的效率。就该指标而言,氮化镓的导热能力略低于硅,但碳化硅的导热效率却是硅的三倍,因此非常适合高温应用。

图1:碳化硅和氮化镓宽带隙材料与硅器件的电气和物理特性比较。(来源:贸泽电子)

宽带隙化合物半导体的另一个重要特性是其导通电阻(Rds(on)明显低于硅基MOSFET,从而能够降低功率转换应用中的开关损耗,而其他部分开关损耗则发生在功率转换器中使用的相关被动元件,例如电感器,变压器和电容器等。

而且,SiC和GaN器件的物理结构比相应的硅器件体积更小、重量更轻,从而可以实现更紧凑,更轻巧的半导体器件。由于具有尺寸较小晶片,器件内部电容的影响减小,从而允许更快的开关频率。例如,对于相同的工作电压范围,硅MOSFET的晶片面积大约是SiC MOSFET的五倍。

凭借以上优势,宽带隙半导体器件非常适合于功率转换和马达驱动应用。这些优势之间彼此相互关联,共同作用有助于实现更高能效、体积更紧凑和功能更强大的应用。氮化镓和碳化硅之间的差异还决定了哪种宽带隙材料更加适合于某个特定应用。例如,SiC具有出色的导热性,因而适合用于高温系统。

在基于GaN和SiC器件的电路中,由于能够工作在更高的开关频率,可以使用更小的电感器和电容器,从而进一步节省了PCB空间和材料清单成本。

实际应用中的宽带隙功率转换

现在,可以从多家供应商处获得各种封装尺寸、工艺技术和额定电压的宽带隙器件,这些供应商包括英飞凌(Infineon),意法半导体(STMicro)和罗姆(Rohm)等。除了器件本身之外,评估板和参考设计也有助于加快原型设计和最终产品开发的速度。

英飞凌的CoolSiC和CoolGaN产品系列可以分别提供SiC和GaN器件。

CoolSiC系列器件的一个示例是1700V SiC沟道MOSFET,该器件经过优化,可用于反激式转换器拓扑结构,具有非常低的开关损耗,并且与大多数12V控制器驱动器IC兼容。该MOSFET采用TO-263 7L表面贴装格式,漏极与源极之间的爬电距离为7mm,确保可以轻松满足最终产品的安全标准。此外,单独的驱动器源极引脚有助于减少通常由栅极环路寄生电感引起的栅极振铃(gate ringing)。

上述英飞凌CoolSiC MOSFET器件还可提供参考板设计RREF_62_FLY_1700_SiC,可帮助工程师使用三相单端反激式转换器拓扑架构开发辅助电源,参见图2。

图2:采用1700 V 英飞凌 CoolSiC MOSFET的 REF_62W_FLY_1700V_SiC参考板。 (来源:英飞凌)。

在典型操作中,参考板以准谐振模式(QRM)工作,以将EMI噪声的影响降至最低。当负载在满功率的30%以上运行时,转换器可以选择切换到非连续传导模式(DCM),最大工作频率设置为130kHz。该评估板可提供+15V、-15V和+24V三个标称输出电压。

参考板的其他功能包括可调节的输出过压保护、电流过载保护、过热条件下的自动重启以及Vin的过压和欠压保护。

英飞凌的CoolGaN产品系列包括一个600V增强模式,通常关闭的超快速开关功率晶体管IGOT60R070D1。

该器件的最大Rdson)额定值为70mΩ,适合于在高频半桥图腾柱功率因数校正(PFC)电路中使用。该晶体管具有低栅极电荷和低输出电荷特性,非常适合工业、电信和数据中心等应用。

图3所示为一个使用CoolGaN IGOT60R070D1器件的2500W全桥图腾柱PFC演示板,其中显示了在效率非常重要的应用中使用GaN技术实现高达99.2%能量转换效率的优势。图腾柱PFC使用半导体开关而不是桥式整流器或单个二极管来构建高效的AC/DC转换器,控制电路使用一个65kHz恒定PWM开关频率和一个连续导通模式控制器IC。

图3:英飞凌CoolGaN 2500W全桥图腾柱PFC AC/DC转换器演示板。(来源:英飞凌)

意法半导体的宽带隙产品阵容包括650V和1200V碳化硅MOSFET,参见图4。产品示例包括SCTW70N120G2V 和 SCTW100N65G。

图4:意法半导体的碳化硅MOSFET产品组合。(来源:意法半导体)

SCTW70N120G2V是一款采用HiP247封装构建的1200V器件,其Rds(on)为21mΩ,可承受91A的最大漏极电流。该MOSFET集成了一个快速且牢固的体二极管,并且具有较低的栅极电荷和输入电容。SCTW70N120G2V适用于各种DC-DC转换器、充电器和可再生能源系统等应用。

意法半导体另一款SiC MOSFET是SCTW100N65G,该650V、100A宽带隙半导体器件为汽车级,经过AEC-Q101认证,其Rds(on)为20mΩ。意法半导体的这两款MOSFET均可适用于结温为200℃的高温应用。

罗姆半导体(ROHM Semiconductor)可提供大功率碳化硅MOSFET,其中一款产品为SCT3033KLGC11。这款1200V、95A的器件其Rds(on)为22mΩ,最大结工作温度为175℃。该器件的应用包括范围广泛的功率转换、太阳能逆变器和马达控制设计等。

我们这里介绍的最后一款产品是来自GaN Systems公司GS6100x系列的100V GaN增强型晶体管。GS61004B器件采用底侧冷却方法,其Idsmax)为38A,Rds(on)可低至18mΩ,能够容许高于10MHz的开关频率。GaN Systems提供的全桥式评估板GS61004B-EVB-CD集成了两个GS61004B晶体管。

结论

宽带隙半导体预示着业界能够达到新的能效水平和更高的开关频率,同时容许马达栅极驱动和功率转换电路具有更高的工作温度。采用基于碳化硅和氮化镓的MOSFET和晶体管器件,以及互相补充的设计资源,现在可以帮助工程师实现下一代设计集成。

作者:贸泽电子Mark Patrick

责编:Amy Guan

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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