電力設計是由市場需求驅(qū)動的，以提高效率和生產(chǎn)力，同時符合法規(guī)要求。最重要的最終用戶需求幾乎總是更小、更輕、更高效的系統(tǒng)，這得益于功率半導體設計的重大創(chuàng)新。在硅 MOSFET 和 IGBT 長期以來一直在功率半導體中占據(jù)主導地位的地方，寬帶隙 (WBG) 技術(shù)，尤其是碳化硅 (SiC) 技術(shù)的最新進展正在為電力電子系統(tǒng)的設計人員帶來額外的好處，提高效率和更高的電壓能力，從而減少形式因素。
本文簡要回顧了 SiC MOSFET 的優(yōu)勢，并討論了 SiC 器件的關鍵特性，以指導基于應用需求的器件選擇。最后，討論了兩種常見的電力電子應用，以展示這些設備如何為設計人員帶來價值。
從硅到 SiC
當今最常見的功率半導體是硅基 MOSFET、功率二極管、晶閘管和 IGBT。硅 MOSFET 主導低于 650V 的低壓市場，而 IGBT 主導高于 650V 的高壓市場。這些器件具有易于驅(qū)動的柵極、快速的開關速度、低導通損耗以及并行操作的能力。這已導致廣泛采用各種應用，包括便攜式設備、移動電話、筆記本電腦、無線網(wǎng)絡基礎設施、電機驅(qū)動器和太陽能等可再生能源技術(shù)。
盡管硅 MOSFET 和 IGBT 仍將是許多電源應用的熱門選擇，但 WBG 材料的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)促成了一系列新的電源應用。與硅相比，SiC 尤其具有更高的熱導率(120-270 W/mK)和更高的電流密度等優(yōu)點。此外，它的低開關損耗以及在高工作頻率下工作的能力，使設計能夠以更高的效率工作，同時減小相應磁性元件的尺寸和重量。
如果實施得當，SiC 器件可以為設計人員提供重要優(yōu)勢。緊湊型 SiC 組件可減小整體系統(tǒng)尺寸，這在電動汽車 (EV) 等對空間和重量敏感的應用中非常有用。然而，為了實現(xiàn) SiC MOSFET 的潛在優(yōu)勢，所選器件必須與應用的特定需求相匹配，并且必須遵循仔細的設計導入指南。
設備設計注意事項
SiC MOSFET 容易受到寄生導通 (PTO) 事件的影響，這可能會在某些條件下導致動態(tài)損耗增加，甚至可能導致超出器件的安全工作條件。設計人員應了解任何選定的設備如何受到 PTO 影響以及如何防止這些影響。
PTO 的一個主要原因是米勒電容 C dg，它在開關事件期間將漏極電壓耦合到柵極。當漏極電壓升高時，C dg電容充電，電流也對 C gs充電。如果 V gs達到柵極閾值，則器件可能會意外開啟，并導致與互補器件發(fā)生短暫的“擊穿”事件。這會在設備中產(chǎn)生額外的功率損耗。擊穿的嚴重程度以及相關損耗的大小與 MOSFET 的工作條件和相關電路的設計有關。關鍵因素包括總線電壓、開關速度 (dv/dt)、PCB 布局和柵極電阻。
設計人員可以通過考慮電容比 C dg /(C dg +C gs ) 和柵極閾值電壓 V gs,th來估計 MOSFET 對 PTO 事件的敏感性。顯示了當前市場上選擇的 SiC MOSFET 的比較，其中每個器件的感應柵極電壓計算為 V gs =ΔV ds C dg /(C dg +C gs )，工作總線電壓為 600V。
本練習說明了米勒電容如何導致感應柵極電壓超過器件的Vgs,th，從而產(chǎn)生 PTO。還突出顯示，包括英飛凌的CoolSiC MOSFET 在內(nèi)的兩個采樣器件具有固有的 PTO 抗擾度，因為這些器件的柵極閾值高于計算的潛在感應柵極電壓。
盡管可以使用這種方法估計設備對 PTO 影響的敏感性，但這些影響本質(zhì)上是動態(tài)的，并且很大程度上取決于應用程序的具體情況。顯示了一個硬件設置——使用EVAL-IGBT-1200V-247評估板——來全面表征 SiC MOSFET 器件。
表征練習的目的是找到 S2 的關斷柵極電阻的最低值，該值仍可避免寄生導通。在不同負載電流、溫度和 dv/dt 水平下對高端開關 S1 進行了測試。
顯示了 CoolSiC MOSFET 測試的結(jié)果。隨著開關速率和溫度的升高，通過降低關斷柵極電阻值來防止 PTO。對于該器件，即使在 50 V/ns 的電壓斜率和 175oC 的溫度下，0V 的關斷柵極電壓也足以防止 PTO，從而簡化了柵極驅(qū)動電路的設計。
相同的評估硬件可用于比較其他設備的特性。突出顯示了可實現(xiàn)的最小開通損耗以及 SiC MOSFET 器件之間相關的 dv/dt 開關瞬態(tài)。
碳化硅 MOSFET 應用
快速充電
快速直流電池充電是不斷增長的電動汽車市場的關鍵推動力，可實現(xiàn)較高的每次充電比。最先進的電池充電器在 DC-DC 級中使用軟開關 LLC 拓撲(圖 5a)。使用硅 MOSFET 時，只有使用 650V 額定器件才能實現(xiàn)足夠低的動態(tài)損耗，因此需要兩個級聯(lián) LLC 全橋來支持 800V 直流鏈路電壓。
通過使用額定電壓為 1,200V 的 SiC MOSFET，包括驅(qū)動器 IC 在內(nèi)的開關位置數(shù)量減半。使用這種 SiC MOSFET 解決方案，在每個導通狀態(tài)下僅打開兩個開關位置，而 650V 解決方案中的四個開關位置。這導致傳導損耗降低了 50%，同時 SiC MOSFET 的較小輸出電容也降低了關斷損耗。因此，使用 SiC MOSFET 可將效率提高 1% 以上，對于雙向充電而言，這相當于節(jié)省 2% 以上的電池電量。此外，SiC MOSFET 的部件數(shù)量減少了 50%，外形尺寸更小，從而減少了所需的 PCB 面積。
1,200V SiC MOSFET 的整體低開關損耗與其內(nèi)部體二極管的特性相結(jié)合，還支持傳統(tǒng)的硬開關解決方案，例如雙有源電橋。顯著減少控制工作、降低整體復雜性和減少部件數(shù)量使此類解決方案越來越有吸引力。
伺服驅(qū)動器
伺服驅(qū)動器是用于工業(yè)自動化和機器人系統(tǒng)的高性能電機驅(qū)動器。高性能和緊湊型 DC-AC 電源轉(zhuǎn)換器是這些驅(qū)動系統(tǒng)的核心，與基于 IGBT 的設計相比，SiC MOSFET 可以顯著提高驅(qū)動器的性能。
SiC MOSFET 支持更高的開關頻率，從而實現(xiàn)高電流環(huán)路帶寬并提高加速、減速和位置控制的動態(tài)性能。同時，它們提供了將總損失降低多達 80% 的潛力。這些降低的大部分是由于開關損耗降低了 50%，即使 SiC MOSFET 被減慢到 5 V/ns 的 dv/dt 水平以匹配 IGBT 開關速度以限制 EMI 并滿足電機絕緣規(guī)范。
這些損耗降低提供了一些設計改進選項，例如增加驅(qū)動器額定電流、過載能力或尺寸，以及減少散熱器和風扇。它們對于驅(qū)動器集成到電機中并且冷卻非常有限的系統(tǒng)特別有用。
謹慎的設備選擇
SiC MOSFET 的低導通和開關損耗是設計工程師在更高電壓下需要高工作頻率的關鍵因素。這為快速電池充電器和伺服驅(qū)動器等電力電子應用的設計人員帶來了許多優(yōu)勢。然而，碳化硅 MOSFET 可能會因 PTO 事件而增加損耗，因此需要仔細選擇器件和驅(qū)動電路設計以減輕這些影響。器件對 PTO 的敏感性可以從數(shù)據(jù)表參數(shù)估計，但可以使用合適的評估板進行更全面的表征。
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