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                      充分挖掘SiC FET的性能

                      發布時間:2022-03-10 來源:UnitedSiC 責任編輯:wenwei

                      【導讀】性能是一個主觀術語,它可以用許多你喜歡的方式衡量,但是在功率轉換界,它歸結為兩個相互依賴的主要值,即效率和成本?,F在,作為半導體開關材料,硅在導電和動態損耗性能方面已經到達了極限,這已經是一個常識了,因此越來越多的人考慮采用碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術來實現更好的性能。這兩種材料具有更好的介質擊穿特性,從而可以打造更薄、摻雜更重、導通電阻更低的阻擋層,同時,更小的晶粒體積還可降低器件電容,從而降低動態損耗。


                      功率轉換器的性能通常歸結到效率和成本上。實際示例證明,在模擬工具的支持下,SiC FET技術能兼顧這兩點。

                                       

                      性能是一個主觀術語,它可以用許多你喜歡的方式衡量,但是在功率轉換界,它歸結為兩個相互依賴的主要值,即效率和成本?,F在,作為半導體開關材料,硅在導電和動態損耗性能方面已經到達了極限,這已經是一個常識了,因此越來越多的人考慮采用碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術來實現更好的性能。這兩種材料具有更好的介質擊穿特性,從而可以打造更薄、摻雜更重、導通電阻更低的阻擋層,同時,更小的晶粒體積還可降低器件電容,從而降低動態損耗。與硅相比,寬帶隙器件損耗更低,但是實際上,寬帶隙器件也有某些方面較差,如SiC MOSFET和GaN HEMT晶體管通常需要嚴格控制柵極驅動條件才能實現最佳性能。這些器件與硅開關相比還有一系列不同之處,因而帶來了困難,如SiC MOSFE柵極閾值的可變性和遲滯,以及GaN缺少雪崩額定值。


                      SiC FET接近理想開關


                      實際開關接近理想開關,卻不一定有巨大的進步。如果簡單的豎直溝槽SiC JFET與硅MOSFET結合,您可以獲得更低的標準化整體損耗、一個簡單的非臨界柵極驅動和一個有高雪崩額定值和短路額定值的可靠部件。這個器件就是SiC FET共源共柵,如圖1(右)所示,與左側的SiC MOSFET形成對比。在SiC FET中,SiC MOSFET中的溝道電阻Rchannel被低壓硅MOSFET的電阻所取代,后者的反轉層電子遷移率要好得多,損耗也因此更低。SiC FET的晶粒面積相對較小,尤其是在與一同封裝的堆疊在頂部的Si MOSFET配合使用時。


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                      【圖1:SiC MOSFET(左)和SiC FET(右)結構對比】

                       

                      在現實中,對比性能的最好方法是對比“性能表征”(FoM),它們結合了給定晶粒體積下在不同應用中的導電損耗和開關損耗,晶粒體積對于每個晶圓的產量和隨之變化的成本很重要。圖2顯示的是選擇,它對比了可用的650V SiC MOSFET與UnitedSiC制造的750V第4代SiC FET。RDS(ON) xA,即單位面積的導通電阻是一個關鍵性能表征,值低表明晶粒面積較小,給定損耗性能下每個晶圓的產量較高。另一個性能表征RDS(ON)xEOSS,即導通電阻與輸出開關能量的乘積,它是表示導電損耗和開關損耗之間的權衡的特性,在硬開關應用中很重要。性能表征RDS(ON)xCOSS (tr)將導通電阻與跟時間有關的輸出電容關聯起來,表明在高頻軟開關電路中的相對效率性能。還有一個重要比較是整體二極管的前向壓降。在SiC FET中,VF是Si MOSFET體二極管壓降與第三象限JFET電阻性壓降之和,值約為1到1.5V。對于SiC MOSFET,該參數值可能超過4V,在電流通過整體二極管換向的應用中,這會導致開關死區時間內有顯著導電損耗。


                      圖中所示的導通電阻相關性能表征是25°C和125°C下的值,表明在真實條件下SiC FET的性能非常好。

                       

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                      【圖2:SiC FET和SiC MOSFET的性能表征比較】


                      3.6kW SiC FET圖騰柱PFC級演示工具實現99.3%的效率峰值


                      也許最能證明SiC FET性能的情況是在典型應用中,即在圖騰柱PFC級中。長久以來,該電路都是交流線路整流與功率因數校正結合后的潛在高效解決方案,但是大功率和硅MOSFET技術下的硬開關才是不可接受的動態損耗的產生原因。SiC FET可解決這個問題,且UnitedSiC提供的3.6kW演示工具表明在230V交流電下會達到99.3%的效率峰值,這使得80+鈦金系統效率額定值更容易實現(圖3)。在電路的“快速”支路的兩個18歐SiC FET的任何一個中,都只有8W損耗,而硅MOSFET用作“慢”支路中的同步交流線路整流器。它們可以被硅二極管取代,讓解決方案的成本更低,同時仍實現99%以上的效率。該圖還表明了使用并聯的60歐SiC FET實現的結果,或每個快速支路開關使用一個18歐SiC FET實現的結果。

                       

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                      【圖3:使用SiC FET的3.6kW TPPFC級實現的效率】


                      模擬工具讓SiC FET選擇變得簡單


                      UnitedSiC的“FET-Jet”計算器讓選擇最佳SiC FET部件來實現最佳性能變得簡單。它是免費使用的在線工具,允許用戶從一系列整流器、逆變器和隔離和非隔離直流轉直流拓撲中選擇他們計劃使用的設計。然后用戶輸入運行規格,從UnitedSiC的系列SiC FET和二極管中選擇器件。該工具可以立即計算效率、組件損耗以及導電損耗占比和開關損耗占比、結溫上升等。并聯器件的效果會得到支持,還可以規定實際散熱器性能。


                      模擬結果和實際示例表明,SiC FET可以顯著提升功率轉換器的性能。文章開始處就說過,成本也是一個因素,當考慮系統效果時,SiC FET也能勝出,它的較高效率和較快開關速度可以降低散熱和磁性元件的體積與成本,從而降低系統平衡和擁有成本。



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