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750V SiC FET首发,比650V SiC MOSFET更高效低损

时间:2020-12-02 作者:刘于苇 阅读:
在电动汽车领域,人们一直在尝试提高其总线电压和电池电压,但目前主流的SiC FET产品电压值要么是650V,要么要上到1200V。能不能有一款将额定电压值扩展到750V的SiC FET器件,能让400V或500V的电池/总线电压应用有更多的裕量,并减少其设计约束呢?
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在电动汽车领域,人们一直在尝试提高其总线电压和电池电压,但目前主流的SiC FET产品电压值要么是650V,要么要上到1200V。能不能有一款将额定电压值扩展到750V的SiC FET器件,能让400V或500V的电池/总线电压应用有更多的裕量,并减少其设计约束呢?

美商联合碳化硅(UnitedSiC)公司近日推出了其第四代SiC FET产品,是目前市场上首批也是唯一的750V SiC FET,其他厂商目前除了一家有700V的产品,其余均是650V。该系列产品共有四款,包含18 mΩ和60mΩ两种方案。

UnitedSiC首席执行官Chris Dries在接受《电子工程专辑》专访时表示,“这四款第四代器件在品质因数(FoM)上实现了新的性能水平,从而使汽车、工业充电、电信整流器、数据中心功率因数校正(PFC)和 DC-DC转换以及可再生能源和储能领域的电源应用都能够从宽禁带半导体的发展中受益。”

RDS(on)依旧没有敌手

据介绍,尽管提高了额定电压,但是第四代器件采用的更高电池密度降低了单位面积的导通电阻(RDS(on)),因而能够以各种封装提供业界RDS(on)最低的产品。此外,该器件采用烧结式晶粒粘接技术,改进了热性能,从而实现了大额定电流。

图1. 第四代750V UnitedSiC FE的单位面积导通电阻与650V额定值的SiC竞争产品的对比,前者在所有温度下的导电损耗都比其他产品低得多。

如同去年在发布第三代产品时Chris强调的,设计易用性仍是UnitedSiC第四代开关的重要特点。所有器件都可以用标准0V到12V或15V栅极驱动电压安全驱动,保持了良好的阈值噪声容限并采用真正的5V阈值电压。与前几代类似,这些新的SiC FET可以由所有典型的Si IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET驱动电压驱动,并包括内置ESD栅极保护箝位。

除了具有低导通电阻,这些新SiC FET还能在软开关和硬开关电路中提高能效。在图腾柱PFC或标准双电平逆变器等硬开关电路中,低单位面积导通电阻、低输出电容和低压Si MOSFET中几乎为零的存储电荷这三者共同作用,提供了出色的反向恢复电荷(Qrr)和低Eoss/Qoss

“这些器件无论是在25℃低温还是125℃高温下工作,都不仅超越了现有SiC MOSFET竞争产品的性能,还造就了最低的体二极管VF(<1.75V)。”Chris说到,“其出色的反向恢复特性,还降低了死区损耗并提高了效率。”

软硬开关性能远超650V竞品

图2表明了在以硬开关性能表征(FoM)RDS(on) x Eoss(mΩ·μJ)作为标准时,750V UnitedSiC FET与650V额定值的SiC竞争产品相比的优势。UJ4C075018K3S(采用TO247-3L封装)和UJ4C075018K4S(采用TO247-4L封装)的导通电阻仅为18mohm,在25oC下,比最接近的竞争产品低50%,在125oC下低近40%,因此其导通损耗和关断损耗都得到了降低。

图2. UnitedSiC 750V FET与650V额定值的SiC竞争产品相比的硬开关性能表征优势

在高频软开关谐振变换器拓扑(如LLC或PSFB)中,这些新器件也能提供较高的性能。据介绍,750V UnitedSiC FET性能的突破性在于导通电阻显著降低的同时,输出电容Coss(tr)也有所降低。图3阐明了这些优势,以及建议的谐振和软开关性能表征RDS(on) x Coss(tr)

图3. 750V SiC FET与650V额定值的SiC竞争产品相比的软开关性能表征优势

该图还描述了LLC关闭波形示例,其中,Coss(tr)带来的延迟可能会限制最大可用频率。“在这种情况下,第四代UnitedSiC FET实现了非常低的Coss(tr)和非常高的额定电压,从而能够快速关闭。”Chris说到,“它的软开关性能表征优势在所有可用运行温度下均为同类最佳。”

硅超结才是SiC FET要拿下的

图4中所示的雷达标图总结了第四代750V FET的比较优势。如果考虑关键的硬开关和软开关参数,SiC FET的优势明显。极低的单位面积导通电阻,让标准独立封装的性能令现有硅或宽禁带半导体竞争对手很难超越。Chris表示,“对于任何给定的导通电阻值,我们都能将器件体积做到业界最小,并做到更低的传导和开关损耗。”

图 4. UnitedSiC 750V FET比较优势雷达标图,关键参数已经标准化(注:数值越低越出色)

虽然现在业内人们热衷于在各类碳化硅器件之间进行对比,但实际上,Chris认为真正值得竞争的市场是既有的硅市场。拿硅超结(Si superjunction)MOSFET来说,是只有两三家公司主导的10亿美元市场,“过去六年中我们一直关注这个领域的成本绩效范式,刚开始碳化硅性能虽好,但价格是硅的五到十倍。如今已经能够以碳化硅的性能在成本上与硅超结竞争,在合适的时候将在功率转换应用上对其实现完全的取代。”

图 5. UnitedSiC 750V FET对比硅超结,红框中几项呈现数量级上的优势(注:数值越低越出色)

供货与市场目标

在降低衬底和碳化硅制造成本方面,UnitedSiC也在积极地研究碳化硅200mm晶圆技术,虽然业界有公司宣称已采用,但Chris认为,这项技术还未达到“设备级(Device Grade)”的采用标准,“在100mm和150mm工艺上,我们已经展现了将技术完整移植到两家不同晶圆代工厂的能力,一旦200mm工艺成熟,我们也能够及时跟进。”

当前750V SiC FET的目标应用市场主要是汽车、IT基础设施和可再生能源领域。与中国的“新基建”类似,美国也有“美国电气化(Electrify America)”这样的国家级基建项目,是由电动汽车充电站网络、快速直流充电器组成的网络。UnitedSiC已经参与其中多年,所以对于中国新基建,Chris认为将是公司业务非常重要的增长部分。

据Chris介绍,目前在电动汽车充电器的DC-DC转换器中已有大量出货,最大客户是中国的一家世界级电动汽车企业;今年由于疫情带动远程办公,IT基础设施中的功率因数校正领域也成为快速增长的市场;一些世界级的太阳能逆变器企业也采用了UnitedSiC的产品,除了用在逆变器中,还用在储能系统中。

这四款第4代750V新SiC FET的定价(千片起,美国离岸价)从UJ4C075060K3S的3.57美元到UJ4C075018K4S的7.20美元不等。所有器件均可从授权分销商处购买,器件的规格如下所示(所有封装均已通过汽车AEC-Q101认证):

 

责编:Luffy Liu

 

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。
刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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