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从原理到实例:详解SiC MOSFET是如何提高电源转换效率的?

时间:2021-07-16 作者:Bill Schweber 阅读:
随着电源要求、法规管制以及效率标准和EMI要求的日趋严格,电源越来越需要采用开关功率器件,因为开关功率器件效率更高且工作范围更宽。与此同时,设计人员持续承受着降低成本和节省空间的压力,面对这些需求,需要替代经典硅 (Si) 基 MOSFET 的产品。碳化硅 (SiC) 现已成熟并发展到第三代,已经成为一种明智的选择。本文对Si和SiC进行了简要比较,介绍了Cree/Wolfspeed的SiC器件示例,并说明了如何使用此类器件进行设计。
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随着电源要求、法规管制以及效率标准和EMI要求的日趋严格,电源越来越需要采用开关功率器件,因为开关功率器件效率更高且工作范围更宽。与此同时,设计人员持续承受着降低成本和节省空间的压力,面对这些需求,需要替代经典硅 (Si) 基 MOSFET 的产品。

碳化硅 (SiC) 现已成熟并发展到第三代,已经成为一种明智的选择。基于SiC的FET具有许多性能优势,其中最为突出的特点是效率更高、可靠性更好、热管理问题更少,且占用空间更小。这些产品适用于整个功率谱,不需要彻底改变设计技术,不过可能需要一些调整。

本文对Si和SiC进行了简要比较,介绍了Cree/Wolfspeed的SiC器件示例,并说明了如何使用此类器件进行设计。

SiC与Si MOSFET比较

首先要清楚了解相关技术和术语:基于SiC的FET是MOSFET,就像之前的硅片一样。从广义上讲,其内部物理结构相似,二者均为三端器件,具有源极、漏极和栅极连接。

区别正如名称所示:基于SiC的FET使用碳化硅作为基材,而不仅仅是硅。业内许多人士将其称为SiC器件,而忽略了MOSFET部分。本文将其称为SiC FET。

为什么使用SiC化合物作为材料?由于各种深层物理学原因,SiC有三大电气特性与硅明显不同,每个特性均赋予其工作优势。此外,SiC还有其他一些更微妙的差异(图1)。

图1:SiC与Si和GaN固体材料的关键材料性能的大致比较。与Si相比,SiC具有更高的临界击穿电压、更高的导热率和更宽的带隙。(图片来源:Researchgate)

这些优势包括:

●更高的临界击穿电场电压(约2.8MV/cm,Si为0.3MV/cm),因而在给定电压额定值下工作时,可以使用更薄的层,大大降低导通电阻。

●更高的导热率,因而在横截面上可以实现更高的电流密度。

●更宽的带隙(半导体(和绝缘体)中价带顶部与导带底部之间的能量差,单位为eV),使得高温下的漏电流更低。出于这个原因,SiC二极管和FET常被称为宽带隙 (WBG) 器件。

其结果是,基于SiC的器件可阻断的电压比硅器件高出10倍左右,开关速度是硅器件的大约10倍,25°C时的导通电阻只有硅器件的一半或更低。同时,它能在最高200°C(硅器件为125°C)的温度下工作,因而使热设计和热管理得以简化。

至关重要的栅极驱动器

没有栅极驱动器,功率器件便无法工作。栅极驱动器将低电平数字控制信号转换为所需的电流和电压信号,并为功率器件提供所需的时序(同时还提供一些保护来防范大多数类型的外部故障)。对于SiC FET,驱动器必须具备一些额外功能以达到如下目的:

●最大限度地降低传导损耗、开关损耗和栅极损耗。这些损耗包括关断和导通能量、米勒效应以及栅极驱动电流要求。关断能量可根据关断状态下的栅极电阻和栅源电压计算出来。为了减少这些损耗,必须从栅极抽取更多的电流。有一个办法是让驱动器在关断期间向栅极电压施加负偏压。类似地,减小栅极电阻可以降低导通能耗。

●最大限度地降低米勒效应及其负面影响;在某些情况和应用配置下,寄生电容可能会导致意外导通。米勒效应引起的这种导通会增加反向恢复能量并增加损耗。一种解决方案是让驱动器具备所谓的米勒箝位保护功能,从而在功率级开关期间控制驱动电流。

●以适当的电压提供所需的灌电流和拉电流。为使损耗最小,SiC器件需要的正偏栅极驱动 (+20V) 一般比硅基MOSFET高。SiC器件可能还需要-2至-6V的负OFF栅极电压。所需栅极电流根据栅极电荷(Qg)、VDD、漏极电流ID、栅源电压和栅极电阻进行常规计算来确定,典型值约为几安培。该电流必须具有足够的灌电流和拉电流额定值,其压摆率须与SiC FET的开关速度相称。

●对电路板和器件的寄生效应(包括杂散电感和电容)进行建模并使之最小化,以免在器件的较高开关速度下,这些寄生效应引起振荡、电压/电流过冲和误触发。硅MOSFET有一个较小的“尾”电流,充当阻尼器或缓冲器,可在某种程度上减少过冲和瞬时振荡。SiC MOSFET没有这种尾电流,因此漏极电压过冲和瞬时振荡可能较高并造成问题。要减少这些寄生效应,需要特别注意电路布局问题,尽量缩短导线长度,并将驱动器放置在尽可能靠近其功率器件的地方。即使几厘米长也可能很重要,因为当SiC FET以较高开关速度工作时,这些杂散电感和电容的影响更为显著。减小瞬时振荡还有一个好处,那就是能够减少与器件的驱动侧和负载侧的高速开关相关的EMI的产生。

尽管驱动SiC MOSFET会涉及其他问题,但许多供应商为此设计了标准IC,其特性可满足SiC器件的特定需求。请注意,在许多设计中,栅极驱动器和SiC FET必须与低压电路进行电隔离。这样可以通过光学、脉冲变压器或容性隔离技术并利用标准元器件来实现。隔离首先是为了安全,防止用户在电路故障时受到高压侵害。其次,很多电路拓扑(例如电桥配置)中的MOSFET本身不接地,因而需要隔离。

新器件的性能和能力

Cree/Wolfspeed于2011年1月推出了首款商业封装的SiC MOSEFT CMF20120D(Wolfspeed是Cree的电源和射频部门,该名称于2015年宣布),而SiC晶圆在几年前便已上市。其额定值为1200V/98A,导通电阻为80mΩ(全部为25°C时的值),采用TO-247封装。这之后,Cree很快推出了第二代工艺,现在提供的则是第三代SiC MOSEFT指定C3M器件(图2)。

图2:Cree的第二代(左) 和第三代(右)SiC 工艺结构的比较表明差异不大,但这些剖面图并未显示出最终的性能规格改进。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

例如,C3M0280090J是业界首批900V SiC MOSFET平台之一。它针对高频电力电子应用进行了优化,包括可再生能源逆变器、电动汽车充电系统和三相工业电源(表1)。

表1:Cree的C3M0280090J SiC MOSFET优异特性表明其适用于可再生能源逆变器、电动汽车充电系统和三相工业电源。(表格来源:Cree/Wolfspeed)

除电压/电流规格外,该器件还针对低电容的高速开关进行了优化,采用低阻抗封装,具有驱动器源极连接(图3),包括一个低反向恢复电荷 (Qrr) 的快速本征二极管,并且漏极和源极之间具有很宽的爬电距离(约7mm)。

图3:Cree的C3M0280090J采用低阻抗封装,具有驱动器源极连接。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

利用此900V平台可实现尺寸更小、效率更高的新一代电源转换系统,其成本与硅基解决方案相当,但性能规格更为出色。安全工作区 (SOA) 曲线概括了该SiC FET的能力(图4)。当漏源电压 (VDS) 较低时,最大电流受导通电阻限制;在中等VDS时,该器件可在短时间内维持15A的电流。

图4:Cree的C3M0280090J安全工作区曲线显示了其IDS与VDS能力的关系。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

封装影响性能

Cree还提供三款规格相似的器件——C3M0075120D、C3M0075120K和C3M0075120J,其差异主要是因封装不同而引起的(图5)。

图5:Cree的1200VSiC FET有三种封装,规格大致相似,但不完全相同。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

这些数字描述的是数据,但具体应用就另当别论了。后缀为D的器件采用三端子封装 (TO-247-3),而后缀为K的器件采用四端子封装 (TO-247-4)。这两款器件以及后缀为J的七端子器件均有开尔文源极引脚,它能降低栅极电路中L×di/dt引起的电压尖峰效应。这样一来,栅极和源极上便可施加更大电压,从而实现更快速的动态切换。当在接近额定电流的条件下测量器件时,结果表明开关损耗有可能降低3.5倍。

评估板、参考设计加速成功

尽管与千兆赫兹频率射频设计截然不同,但打造高性能电路以在更高的电压和功率范围下工作仍然需要注意细节。元器件和布局的每一个细微之处和特征都会被放大,实际电路对哪怕最小的问题和疏忽也不会宽宥。

为了帮助设计人员评估诸如C3M0075120D和C3M0075120K之类的SiC FET,Cree提供了KIT-CRD-3DD12P降压-升压评估套件来演示这些器件的高速开关性能(图6)。它既支持C3M0075120D的三端子封装,也支持C3M0075120K的四端子封装(其余方面与前者相同)。设计人员可以测试和比较采用不同封装的Cree/Wolfspeed第三代 (C3M) MOSFET的性能。

图6:利用KIT-CRD-3DD12P评估套件,可以方便地评估三端子TO-247封装C3M0075120D和四端子C3M0075120K的性能。请注意,大散热器和环形电感器用于实现出色的散热性能。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

该评估套件采用半桥配置,允许在上方和下方位置增加MOSFET或二极管,因此该板可配置为常见电源转换拓扑,例如同步降压或同步升压。它还允许在顶部或底部位置增加二极管,让用户可以评估异步降压或异步升压转换器拓扑。

此外,为了减少功率损耗,该套件配有一个由“铁硅铝磁粉”制成的低损耗电感器。这种磁性金属粉末也称为Kool Mµ,由85%的铁、9%的硅和6%的铝组成。它改进了关键磁性和温度参数的规格,可替代坡莫合金。

对于需要设计自己的栅极驱动器子电路的用户,Cree/Wolfspeed还为这些第三代 SiC FET提供了CGD15SG00D2栅极驱动器参考设计(图7)。

图 7:CGD15SG00D2栅极驱动器参考设计的顶部(左)和底部(右);这是一个具有完整BOM的完整电路板,为用户评估三引脚与四引脚TO-247封装(使用相同SiC MOSFET芯片)的性能提供了条件。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

CGD15SG00D2的高级框图(图8)显示了该参考设计的功能,包括光耦合器 (U1)、栅极驱动器集成电路 (U2) 和隔离电源 (X1)。光耦合器(5000V交流隔离)接受脉冲宽度调制 (PWM) 信号,并提供35/50kV/µs(最小值/典型值)的共模抗扰度。其他值得注意的特性包括:

●一个凹槽,用以增强印刷电路逻辑侧和电源侧之间的强制爬电距离规格,而且在电路板的初级电路和次级电路之间有9mm爬电性能增强缝。

●一个2W隔离电源,用以支持较大MOSFET在较高频率下工作。

●单独的栅极导通和关断电阻器,并带有专用二极管,支持用户定制和优化导通与关断信号。

●逻辑电源输入上的共模电感器可增强EMI抗扰度。

图8:CGD15SG00D2栅极驱动器参考设计的高级框图显示了其主要功能模块:光耦合器U1、栅极驱动器ICU2和隔离电源X1。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

总结

在功率开关应用中,与传统Si MOSFET相比,Cree/Wolfspeed的第三代SiC MOSFET在效率和散热能力方面具有明显的性能优势。当与合适的驱动器一起使用时,它们可为新兴及现有的应用提供可靠且始终如一的性能。

本文转载自微信公众号”得捷电子DigiKey“

责编:Amy Guan

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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