SiC共源共栅:宽禁带性能和效率的快速跟踪

日期:2018-07-02

如果没有完全重新设计,宽禁带的好处就遥不可及
作者:Anup Bhalla工程副总裁UnitedSiC
 
SiC MOSFET可以在功率转换电路中提供令人印象深刻的性能和效率增益,但是需要一个干净的设计以获得最佳的结果。碳化硅共源共栅提供了一个简单的替代,可实现宽带隙器件的许多优点。
 
简单的开启
600 V或1200 V额定值的碳化硅二极管和MOSFET现在市场上很容易获得,使电力系统设计者能够充分利用宽带隙(WBG)半导体在诸如H桥功率转换电路中的优势,以提高能量效率、温度功能和功率密度。为了最大限度地提高这些器件的优点,理想情况下,电路应采用全新设计,使用优化的栅极驱动电路来提供SiC-FET所需的非对称导通/关断电压,以及通过SiC的高频能力使更小的磁性元件成为可能。
在设计先进的新设备(如电动汽车用逆变器和风力发电机或太阳能微发电机的功率调节)时,这种清洁的方法是可行的,而最终性能对成功至关重要。然而,有许多既定的应用,可以受益于宝贵的性能和效率的改进,如果升级到WBG器件,如SiC-FET,可以实现更快、更复杂和成本中性。理想情况下,行业需要减少现有硅器件的替代品,以允许产品在适当时机进行升级。这可能是当一个修订版本将在市场上推出,或当一个当前的元件过时的时候。
如果没有对SiC MOSFET的额外修改,直接替换硅MOSFET是不可能的,因为SiC需要不同的栅极驱动电压。此外,当电流需要反向流动时,如在硬开关半桥或“图腾柱”PFC电路中,存在复杂的情况,因为SiC MOSFET体二极管具有约4 V的大VF,从而导致高耗散。这可以使用并行SiC二极管来克服,它具有低VF,但带来了空间和成本的影响。
作为一种潜在的直接替代,SiC JFET可以避免这些问题,但有一个主要缺点:它是一个常开的器件,而硅MOSFET当然是正常关断的。通常,在诸如断路器之类的应用中,常开行为是有优点的,但在功率转换中不是优选。
 
共源共栅:一个方便的解决方案
将SiC JFET与传统的硅MOSFET连接作为共源共栅电路可以通过将硅MOSFET的常断行为和低VF体二极管与WBG器件的低RDS(ON)相结合来克服这一挑战,同时提高效率。来自栅极驱动器的控制信号被施加到MOSFET的栅极。当它是正电压时,MOSFET导通,从而通过短路栅极到源使SiC JFET导通。当MOSFET被关断时,其漏极电压升高。当它达到约7 V时,SiC JFET栅极变得比它的源更负7 V,这足以使JFET关闭。
 

图1:碳化硅结构
由于栅极驱动信号被施加到MOSFET,所以可以使用标准栅极驱动器来控制共源共栅。电压是非临界的,通常可以达到±25 V。此外,作为低压器件,MOSFET比SiC JFET具有更低的RDS(ON)。此外,MOSFET体二极管具有快速恢复和低VF,并且整体组合具有优异的短路性能和雪崩稳健性。由于大部分功率在JFET管芯中耗散,因此温度能力由SiC技术定义。理论上,它是250°C,虽然封装局限为实际最大175-200°C。
一种封装的MOSFET/SiC JFET器件,为功率设计者提供了一种三端器件,它结合了高性能硅MOSFET的理想特性,具有更快的开关性能、提高的能量效率和更高的SiC温度性能。
 
实用的直接置换法
在标准功率封装中,如TO-247,SiC共源共栅可以直接替代硅MOSFET,而不需要电路板重新设计。这种器件已经上市,650 V和1200 V额定值,额定电流高达85 A。
外部电阻器只有轻微的再优化,它们可以使用标准的IGBT或硅MOSFET栅极驱动电路来控制。虽然更快的开启/关闭过渡时间,但由于SiC技术,需要更加注意EMI,这可以通过使用合适的栅极电阻值控制dV/dt和di/dt来处理。另一方面,栅极驱动功率显著降低,这既提高了可靠性又提高了效率。
瑞典的Micropower Group已经成功地在材料处理应用的三相、8千瓦的充电器中设计了碳化硅共源共栅(图2),以取代标准硅MOSFET。当MOSFET供应商突然发出最后一次购买通知时,要求进行重新设计。随着充电器的市场需求达到每年7000个,并且没有时间来重新设计围绕SiC MOSFET等新技术的系统,工程团队在寻求简单更换的部件。
 

图2:Micropower Group的接入100三相8 kW充电器
 
原来的设计包含12个硅MOSFET移相全桥连接。传统平面MOSFET是首先考虑的替代物,但其固有的较低电流密度将需要多个并行器件,BOM成本随之增加。该团队还评估了超结晶体管,尽管未解释的原型故障破坏了对二极管鲁棒性的信心。用IGBT更换MOSFET将使充电器满足加利福尼亚能源委员会(CEC)规范的最低效率。
在评估SiC放电特性时,Micropower的工程师们发现它们可以使用现有的±13 V栅极驱动电压,并且受益于每个器件的RDS(ON) 66%以上的减少。除了调节栅极驱动电阻器值之外,只需要驱动器死区时间的很小变化。在其他微小变化中,团队利用了更小、更低成本的缓冲器,并添加了两个Y电容器来满足EMC标准。
此外,来自UnitedSiC的器件比原始MOSFET高的250 V额定电压,与超级结型晶体管不同,对体二极管坚固耐用没有疑问。该解决方案的总成本不大于原始MOSFET基电路的成本。
对第一原型的测试表明,在操作负载水平上立即提高效率1%(图3)。在这样一个8 kW应用中,这样明显的小增益代表了在五年节省了大约750 kWh。轻载效率跃升近10%。
 

图3:效率改进——碳化硅晶体管与硅MOSFET
 
详细分析开关行为、辐射和传导电磁干扰、热循环超过6个月,重复暴露(20000次)电压浪涌,输出短路/负载断开和“反弹相位误差”没有发现故障。该系统还表现出冷却风扇故障时安全的响应热应力。
整个项目在从开始到生产12个月内完成,并且重新设计的充电器现在以相同的成本提供比替代的模型更好的性能。
 
结论:简单升级到WBG优势
现在,SiC共源共栅已准备就绪,将其用于现有的功率转换应用,与IGBT和硅MOSFET相比,不需要额外的成本就可以提供额外的效率。比替代方案提供更大的坚固性和功率密度,如平面或超结MOSFET,并具有灵活的栅极驱动要求,它们能够快速和方便地实现宽带隙半导体在高功率电路中的优势。
 
www.unitedsic.com
 

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