在高频直流—直流转换器内使用650V碳化硅MOSFET的好处

2017年10月11日 17:10    eechina
关键词: 650V , 碳化硅 , MOSFET , SiC
摘要

本文评测了主开关采用意法半导体新产品650V SiC MOSFET的直流-直流升压转换器的电热特性,并将SiC碳化硅器件与新一代硅器件做了全面的比较。测试结果证明,新SiC碳化硅开关管提升了开关性能标杆,让系统具更高的能效,对市场上现有系统设计影响较大。

前言

市场对开关速度、功率、机械应力和热应力耐受度的要求日益提高,而硅器件理论上正在接近性能上限。

宽带隙半导体器件因电、热、机械等各项性能表现俱佳而被业界看好,被认为是硅半导体器件的替代技术。在这些新材料中,兼容硅技术制程的碳化硅(SiC)是最有前景的技术。碳化硅材料的电气特性使其适用于研制高击穿电压器件,但是,远高于普通硅器件的制造成本限制了其在中低压器件中的推广应用。在600V电压范围内,硅器件的性能非常好,性价比高于碳化硅器件。不过,应用要求芯片有更高的性能,而硅器件已经达到了极限。最近几年,人们更加关注环境、能效和污染问题,导致电气能效标准趋严,这不只限于大功率应用,还包括低负载应用。现在,开关频率可以更高,同时开关损耗可以降至更低,本文介绍的650V碳化硅晶体管特别适合这种应用场景。

第一章

表1是4H SiC碳化硅器件与硅器件的特性比较表。如表1所示,碳化硅的宽带隙使电力电子器件具有很多优异特性。

表1. 碳化硅与硅材料特性比较
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更高的关键应用准许使用掺杂程度更高的超薄裸片,使其损耗比其它芯片低很多。碳化硅热导率比硅器件高出很多,因此,功率损耗散热导致的温降在整个器件上都比较低。因为碳化硅的熔点温度更高,可以工作在400 °C范围内,这些特性让人们更加看好碳化硅器件在开关速度、损耗、Rdson导通电阻、击穿电压方面的性能表现。事实上,击穿电压高于1200V的碳化硅器件深受市场欢迎。是否选择超高击穿电压的碳化硅器件,不仅要考虑电气特性,还要考虑碳化硅的制造成本高于硅器件。对于600V电压以下碳化硅产品,以前市面上只有2吋或3吋碳化硅晶圆片,而且生产设备非常昂贵,因此,碳化硅器件的性价比不如硅器件。今天,4吋和6吋碳化硅晶圆片非常常见,市场对碳化硅器件需求增长可以让厂商降低制造成本。600V SiC MOSFET开始出现在市场上,具有令人感兴趣的特性,适用于各种应用领域。

新器件: 650V SiC MOSFET

如前文介绍,硅功率MOSFET器件的性能正在接近极限。意法半导体开发出一个60兆欧姆 /650 SiC MOSFET产品原型,克服了600V功率MOSFET的性能极限。为证明这款650V SiC MOSFET的优势,我们将其与当前最先进的超结功率MOSFET对比。表 2 列出了这两种对比器件的电气参数。为了使测试条件具有可比性,我们选择两款150°C时RDSon参数相似的硅器件和碳化硅器件。

表2.
 BV I @100°CRon_typ @25°CRon_typ @ 150°C裸片尺寸
[V] [A] [mΩ][mΩ][归一化]
ST 650V  SiC MOSFET

650

2275861
硅超结MOSFET

650

36.537815.8

不难发现,Rdson参数对应的热导系数不同。如图1所示,碳化硅器件的Rdson基本上与温度无关,最高结温高于同级的硅器件,这准许工作温度更高,而不会导致损耗增加。开关损耗也是如此,见图2。

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图1:归一化Ron SiC MOSFET与硅MOSFET对比                 

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图2:SiC Eoff-温度曲线

两个器件的另一个重差别是驱动这两个器件完全导通需要不同的栅电压,硅MOSFET是10V,碳化硅MOSFET是20V。

案例研究: 升压转换器

我们在一个标准升压转换器(图3)内对比分析650V SiC MOSFET与先进的硅器件,为了解650V SiC MOSFET的特性,我们用100 Khz和200KHz开关频率进行对比。  

image008.gif

图3:升压转换器

测试条件如下:

VIN=160V,VOUT=400V,POUTmax=1600W,占空比=60%,升压二极管 = 碳化硅STPSC2006。栅驱动条件:

•        硅MOSFET: VGS=0/10V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω
•        碳化硅MOSFET: VGS=0/20V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω

为降低外部因素对测试结果的影响,我们选用了封装(TO247)相同的硅MOSFET和碳化硅MOSFET,安装相同的空气冷却式散热器,记录并比较在各种负载条件下的能效。如图4(a)和(b)所示,在fsw=200KHz时,碳化硅MOSFET的开关特性优于硅器件(100 Khz开关频率也是如此),从图5 (a)和(b)的能效和热曲线不难看出,碳化硅MOSFET的开关特性明显优于硅器件。

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图4(a)Eoff,开关损耗                               

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图4(b)Eon,开关损耗

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图5(a)满负载时的能效                          

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图5(b)满负载时的温度  

在100 Khz和200 KHz开关频率时,两个测试显示,碳化硅MOSFET能效更高,封装温度更低。从图中不难看出,当高频率开关时,碳化硅的优势比较突出。

结论

新650V碳化硅MOSFET是面向高能效系统的最新产品。在硬开关应用中,这款产品能够提高能效,采用新的热管理方法,提高了功率/立方厘米比。对于其固有参数,这款产品将能够用于软开关应用,这是将来的研发目标。

参考文献

[1]        A. Elasser, M. H.  Kheraluwala, M. Ghezzo, R. L. Steigerwald, N. A. Evers, J. Kretchmer, T. P. Chow  “A Comparative Evaluation of new Silicon Carbide Diodes and State-of-the-Art Silicon Diodes for Power Electronic Applications, ” in  IEEE Transactions on Industry Apllications, vol. 39, no. 4, pp. 915-9215, July/August 2003.  
[2]        Callaway J. Cass, Yi Wang, R. Burgos, T. Paul Chow, F. Wang and D. Boroyevich,  “Evaluation of SiC JFETs for a Three-Phase Current-Source Rectifier with High Switching Frequency,” in APEC 2007 Applied Power Electronics Conference, 2007, pp. 345-351.  
[3]        F. Qi, L.Fu, L. Xu, P. Jing, G. Zhao, J. Wang “Si and SiC Power MOSFET Characterization and Comparison, ” in  Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2014 IEEE Conference and Expo,  pp. 1-6, 2014.

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