安森美半導(dǎo)體的寬禁帶方案、技術(shù)及仿真工具優(yōu)化并加快您的設(shè)計(jì)

市場(chǎng)趨勢(shì)和更嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)電子產(chǎn)品向更高能效和更緊湊的方向發(fā)展。寬禁帶產(chǎn)品有出色的性能優(yōu)勢(shì)，有助于高頻應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高能效、高功率密度。安森美半導(dǎo)體作為頂尖的功率器件半導(dǎo)體供應(yīng)商，除了提供適合全功率范圍的高性能硅方案，也處于實(shí)現(xiàn)寬禁帶的前沿，具備全面的寬禁帶陣容，產(chǎn)品涵蓋碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)分立器件、模塊乃至圍繞寬禁帶方案的獨(dú)一無(wú)二的生態(tài)系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)人員提供針對(duì)不同應(yīng)用需求的更多的選擇。

寬禁帶應(yīng)用趨勢(shì)

據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS，從2016年到2027年SiC和GaN應(yīng)用將激增，包括電動(dòng)/混動(dòng)汽車及充電樁基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能逆變器、電源、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源(UPS)、軍事/航空等應(yīng)用領(lǐng)域，其中電動(dòng)/混動(dòng)汽車、太陽(yáng)能逆變器、電源將是主要的應(yīng)用市場(chǎng)。

圖1直觀地表示了各功率器件的頻率、輸出功率及汽車寬禁帶應(yīng)用。Si的功率覆蓋范圍較廣，但頻率不上去。超級(jí)結(jié)(SJ)的產(chǎn)品可以提高工作頻率，使用的范圍更廣一點(diǎn)。SiC相對(duì)具有高頻、高功率的能力，但頻率范圍比GaN低一點(diǎn)，而GaN有最高頻率范圍，功率卻相對(duì)低一點(diǎn)。

以汽車應(yīng)用為例，在汽車功能電子化的趨勢(shì)下，為實(shí)現(xiàn)更高的能效，要提高電池電壓，這就需要考慮寬禁帶方案。如SiC可用于要求小型化、高功率的應(yīng)用，如牽引逆變器，采用400 V電池的逆變器能效增加65%，采用800 V電池的逆變器能效提升則可達(dá)80%。

GaN則在車載充電(OBC)方面更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镺BC的可用空間有限，而GaN頻率范圍更高，可縮減系統(tǒng)體積，降低開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)更高能效。

封裝將是市場(chǎng)上寬禁帶產(chǎn)品用于汽車的關(guān)鍵：高功率模塊用于逆變器以優(yōu)化散熱，減小尺寸;為支持高能效的高頻開(kāi)關(guān)，需采用極低電感的封裝或模塊用于OBC。

圖1：各類功率器件的頻率、輸出功率范圍及汽車寬禁帶應(yīng)用

當(dāng)然，還有很多系統(tǒng)采用Si技術(shù)就可以滿足需求，寬禁帶器件的成本比硅器件要高，所以需要根據(jù)應(yīng)用需求和成本去綜合考量具體使用哪一種技術(shù)，以優(yōu)化設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)在于擁有全系列Si、SJ、SiC和GaN技術(shù)以支持客戶。

安森美半導(dǎo)體的SiC二極管具有同類最佳的性能和可靠性

SiC二極管沒(méi)有反向恢復(fù)電流，開(kāi)關(guān)性能與溫度無(wú)關(guān)，這比硅二極管大大降低了開(kāi)關(guān)損耗，具有更佳的熱性能，從而實(shí)現(xiàn)更高能效。更快的開(kāi)關(guān)還支持設(shè)計(jì)人員減少磁性線圈和相關(guān)的無(wú)源器件的尺寸，從而增加功率密度，降低物料單(BOM)成本。SiC產(chǎn)品能穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)于寬溫度范圍，零電壓恢復(fù)消除了電壓過(guò)沖也有助于SiC的高性能。

安森美半導(dǎo)體的SiC技術(shù)具有獨(dú)特的專利終端結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)可靠性并提升穩(wěn)定性和耐用性，提供更高的雪崩能量、業(yè)界最高的非鉗位感應(yīng)開(kāi)關(guān)(UIS)能力和最低的漏電流。安森美半導(dǎo)體的650 V和1200 V SiC技術(shù)結(jié)合優(yōu)越的開(kāi)關(guān)性能、更高可靠性和低電磁干擾(EMI)，非常適合下一代電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如太陽(yáng)能逆變器、電源、電動(dòng)汽車和工業(yè)自動(dòng)化。其中，650 V、1200 V SiC二極管系列分別提供6 A到50 A、5 A到50 A的額定電流，都提供表面貼裝和通孔封裝，包括TO-247、TO-220、D2PAK、DPAK和易于以現(xiàn)有的電路板制造能力整合的裸片/晶圓，且都具有零反向恢復(fù)、比同類最佳的競(jìng)爭(zhēng)器件更低的正向電壓、不受溫度影響的電流穩(wěn)定性、承受更高的浪涌電流和正溫度系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)極佳的強(qiáng)固性。

例如，安森美半導(dǎo)體1200 V、15 A的一款SiC二極管，雪崩電流接近200 A (3500 A/cm2)，8.2 ms 脈沖可以承受158 A (>10倍 額定值) 非破壞性的浪涌電流，33 µs 脈沖可以承受740 A更高的浪涌電流，而小很多的電流將會(huì)使一個(gè)平面肖特基二極管發(fā)生故障。我們?cè)?5C/85% RH的高溫度/濕度/偏置VCE=960V的測(cè)試條件下進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果顯示，競(jìng)爭(zhēng)SiC器件(1200V、8A)在168小時(shí)后發(fā)生故障，而安森美半導(dǎo)體SiC器件(1200V, 10A)通過(guò)了1000小時(shí)的測(cè)試，可見(jiàn)安森美半導(dǎo)體的SiC二極管的可靠性更高。

表1. 安森美半導(dǎo)體的650 V SiC二極管

表2. 安森美半導(dǎo)體的1200 V SiC二極管

其中，F(xiàn)FSHx0120和FFSHx065是符合AEC-Q101車規(guī)的汽車級(jí)SiC二極管，能在惡劣的電氣環(huán)境中可靠地工作，為汽車應(yīng)用帶來(lái)能效、性能、功率密度等多方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

SiC MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器用于高性能的工業(yè)逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

SiC MOSFET有獨(dú)特的門極驅(qū)動(dòng)要求。安森美半導(dǎo)體的NCP51705 是經(jīng)優(yōu)化的SiC MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器，具備高度的靈活性和集成度，能高效、可靠地驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)上任何SiC MOSFET。峰值輸出電流高達(dá)6 A，正額定電壓可擴(kuò)展，集成負(fù)壓充電泵，能提供-5 V驅(qū)動(dòng)電壓，可調(diào)的欠壓保護(hù)(UVLO)，退飽和(DESAT)檢測(cè)短路保護(hù)，過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)。NCP51705支持設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)試，具有簡(jiǎn)單的BoM，無(wú)需額外的DC-DC電路，提供負(fù)壓實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，采用4 mm x 4 mm QFN24的極小封裝，適用于工業(yè)逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高性能功率因數(shù)校正(PFC)、AC-DC及DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖2所示為SiC MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器NCP51705的典型線路圖。

圖2：典型的半橋隔離門極驅(qū)動(dòng)電路

SiC MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器要點(diǎn)包括：

Ø 類似于傳統(tǒng)的硅MOSFET驅(qū)動(dòng)器, 在開(kāi)關(guān)時(shí)提供高峰值電流，以對(duì)CGS和CGD電容快速充放電

Ø 為實(shí)現(xiàn)最低的RDS(ON，在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)需要提供20V至22V 門極驅(qū)動(dòng)電壓

Ø 為實(shí)現(xiàn)最快的關(guān)斷速度和在關(guān)態(tài)期間不受dV/dt 影響，在關(guān)斷期內(nèi)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)將門極拉至 約-5V

Ø 通過(guò)使用低電感封裝或共同封裝來(lái)減輕驅(qū)動(dòng)或開(kāi)關(guān)時(shí)源電感的負(fù)反饋效應(yīng)，如漏感引起的振蕩、干擾等

安森美半導(dǎo)體提供寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)

為加速設(shè)計(jì)，安森美半導(dǎo)體提供一個(gè)重點(diǎn)圍繞寬禁帶方案的獨(dú)一無(wú)二的生態(tài)系統(tǒng)，包括SiC、GaN、門極驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)新的封裝和先進(jìn)的仿真工具SPICE模型。該SPICE模型直觀、準(zhǔn)確、具預(yù)測(cè)性，支持系統(tǒng)級(jí)仿真，設(shè)計(jì)人員可有把握地仿真數(shù)據(jù)表中未涵蓋的工作條件，從而提前在仿真過(guò)程進(jìn)行評(píng)估，加快開(kāi)發(fā)流程。該SPICE模型還可連接到多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的仿真平臺(tái)端口。

總結(jié)

寬禁帶產(chǎn)品提供卓越的性能優(yōu)勢(shì)，將越來(lái)越多地用于太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心等高壓電源應(yīng)用，但目前成本壓力較大，而有些系統(tǒng)其實(shí)用硅方案就可滿足需求，所以硅方案也是有很大的使用空間，并且超級(jí)結(jié)技術(shù)可延展硅的使用場(chǎng)景。安森美半導(dǎo)體作為全球第二大電源半導(dǎo)體供應(yīng)商，提供適合全功率范圍的高性能硅方案、650 V和1200 V SiC二極管，并即將推出1200V SiC MOSFET和650V GaN MOSFET，配以先進(jìn)的封裝技術(shù)和直觀、準(zhǔn)確的SPICE模型，有助于提供一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，幫助設(shè)計(jì)人員以適當(dāng)?shù)某杀緦?shí)現(xiàn)最適合應(yīng)用所需的優(yōu)化的設(shè)計(jì)，并加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。