基于碳化硅的设计有哪些优势,如何实现这些优势?英飞凌碳化硅MOSFET及专用栅极驱动IC概述

日期:2020-10-22

 
作者:Giovanbattista Mattiussi,产品营销专家和Diogo Varajao博士,高级系统应用工程师(英飞凌科技股份公司)
 
过去几年出现并加速发展的数字化和能源效率等全球趋势,给制造商和半导体市场带来了新的挑战。开发出助力实现高效电力管理系统的功率半导体器件,目前也已提上业界议程。
功率半导体作为电力系统的重要组成部分,是提升能源效率的决定性因素之一。电源、逆变器等电力系统的设计人员,需要逐步达成具有挑战性的效率目标,同时还要控制成本。成本因素发挥的重要作用不只是增加制造商盈利。如果太阳能逆变器、高效电源和电动汽车变得更便宜,那将促进人们采用更绿色环保的基础设施,对我们的地球乃至人类的未来产生积极影响。
 
首选技术
从设计人员的角度来看,成本与效率二者之间的合理平衡至关重要。除常规的硅之外,最近还出现了新技术和新材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等,它们有望实现更高效率及功率密度。事实上,宽禁带半导体因其材料的特性拥有巨大发展潜力,可以带来开创性的性能。它们能够实现更高击穿电压,工作频率更高、热性能方面更加灵活,并拥有针对硬换流应用的稳健性。所有这些特性使其较之硅基解决方案更适合新的高效拓扑或高密度设计。
 
每种功率技术的“甜区”在哪里?
如图1所示,超结MOSFET或IGBT等硅基产品可用于很宽的电压范围(从几伏到几百伏不等),适合于多个功率等级,而基于碳化硅的产品则适用于大于等于650 V的电压等级(突破硅的限值,达到3 kV以上功率等级),基于氮化镓的器件更适合于650 V以下的电压等级。而当工作频率增加时,碳化硅和氮化镓都将逐渐优于硅。应用需求和设计目标决定了首选技术。
 

图1技术定位—硅、碳化硅和氮化镓
就这三种技术而言,并仅着眼于分立FET产品,英飞凌拥有丰富的600 - 650 V产品系列(CoolMOS™硅超结MOSFET、CoolSiC™碳化硅MOSFET和CoolGaN™氮化镓常关增强型模式HEMT)。尽管SJ MOSFET以非常经济划算的方式满足了当前对能源效率和功率密度的大多数要求,但是,如有散热或超高密度等特殊设计要求,碳化硅和氮化镓器件为最佳选择。由于相关器件坚固耐用,CoolSiC™ MOSFET具有出色的热性能,CoolGaN™ HEMT适用于很高的工作频率,可以将功率密度提升到非常高的水平。
未来,WBG产品有望进一步加速和替代硅基器件,不过,可以预见,这三种技术仍将长期共存。由于碳化硅易于使用,而且从超结MOSFET和IGBT过渡相对容易,因此在某些应用中采用碳化硅的速度会更快一些。
 
英飞凌CoolSiC™ MOSFET旨在实现卓越性能
在采用正确设计方法的情况下,碳化硅技术是要求卓越性能的应用的最佳选择。


图2 英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件功能与特性一览
不过,晶圆面积与导通电阻积是给定技术的主要基准参数,找到主要性能指标(即,电阻和开关损耗)与实际工作性能二者之间的平衡仍然很重要。开发出CoolSiC™ MOSFET与匹配的EiceDRIVER™栅极驱动器为的是充分利用碳化硅的预期性能: 通过耐用性、可靠性与易用性优势带来卓越性能。了解可用的产品系列,敬请参阅图2。
 

图3 英飞凌基于碳化硅的CoolSiC™产品系列
谈到可靠性,碳化硅MOSFET在栅极氧化层(GOX)有关键的潜在故障点,栅极氧化层为隔离栅极和源极的层。碳化硅晶体的生长会在栅极氧化成结构中产生缺陷,而那些穿透栅极氧化层的缺陷会导致局部变薄,最终增加电场,使其超过介电击穿电压,导致最终摧毁器件。为避免这种情况,CoolSiC™ MOSFET基于沟槽结构,这具备两大优势:
  • 由于结构方向,GOX中缺陷较少
  • 由于具备更强的耐用性和更高的可实现电场强度(支持在更高电压下进行测试,提高缺陷筛选的有效性),所以,GOX厚度增加,而不会影响到性能(可选择浓度更高的GOX,不会对Ron产生影响)
谈到性能,CoolSiC™ MOSFET具有非常低的开关损耗和传导损耗,它们通过相对平坦的RDS(on)与温度的依赖关系得到改善。特别是,抑制寄生电容产生的门极误开通的稳健性不仅对开关损耗有积极影响,而且在易用性方面也有重大意义。由于寄生电容导致误开通的倾向性很低,CoolSiC™ MOSFET是市面上唯一可以在0 V时可靠关断的器件,不需要使用负电压(虽然该器件也可以这样使用)。因此,该驱动方案可以很简单,并与超结MOSFET驱动解决方案完全兼容。
关于驱动电压范围,VGS范围的上限与最大容许电压之间需要有一定的电压裕度(VGS,max;在数据手册中指定)。该裕度保证缓冲区可以防止可能引起应力和损坏栅极氧化物的过冲电压。这是CoolSiC™技术为确保可靠性而采取的额外措施。
 
EiceDRIVER™ IC令解决方案更趋完备
现已开发出六款专用栅极驱动IC,为的是以最佳方式驱动和保护英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件。如图4所示,它们采用四种不同封装,可以轻松适应功率密度、PCB空间和隔离等级等方面的不同设计要求[1]。
单沟道非隔离EiceDRIVER™ IC 1EDN9550B和1EDN6550B采用SOT-23 6-pin封装,可用于驱动碳化硅半桥(HB)低边开关[2]。由于其具备真正的差分输入(TDI),它们特别适合驱动支持开尔文源极连接的4引脚MOSFET。独特的差分驱动概念可以安全地防止由于控制器与驱动IC参考电位之间的电阻或感应电压降而导致的误触发,即使对于非常快速的开关瞬态也是如此[3]。因此,TDI栅极驱动IC为确保碳化硅MOSFET的高效运行带来了设计紧凑但功能强大的解决方案。
隔离式EiceDRIVER™ IC 1EDB9275F和1EDB6275F采用DSO-8 150mil封装,具有3 kVrms隔离电压额定值,符合UL 1577标准(有待认证)[4]。结合TDI驱动器,可以实现混合栅极驱动配置,驱动采用图腾柱PFC或谐振LLC拓扑的碳化硅HB器件。 通过采用单沟道栅极驱动IC,增大了布局的灵活性,可以优化驱动IC在PCB上的布局,从而最大限度减小栅极回路寄生电感。此外,这种混合栅极驱动配置可节省28%的PCB面积(相比双沟道栅极驱动IC而言),并且在BOM物料清单方面很有竞争力。
通过利用英飞凌专用的双沟道隔离栅极驱动IC,可以实现替代的栅极驱动解决方案。EiceDRIVER™ 2EDF9275F采用DSO-16 150mil封装,非常适合图腾柱PFC拓扑[5]。如果PWM信号必须越过安全隔离屏障,如在支持次级侧控制的谐振LLC中,那么,正确的选择是采用加强隔离的2EDS9265H。此外,该驱动采用DSO-16 300mil封装,符合VDE 0884-10和UL 1577标准的安全要求[6]。


1EDN9550B1EDN6550BSOT-23 6-pin
 

 
1EDB9275F1EDB6275FDSO-8 150mil
 

 
2EDF9275FDSO-16 150mil
 

2EDS9265HDSO-16 300mil
 
4 英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的EiceDRIVER™栅极驱动IC
表1显示英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的专用栅极驱动IC的主要规格。尽管有不同的封装和输入到输出隔离类别、额定值和认证,但这些栅极驱动器仍然基于相同的轨对轨驱动器输出级。它是由互为补充的MOS晶体管实现的,可以提供典型的5.4 A源电流和9.8 A灌电流,用于快速开通和关断,从而最大限度降低开关损耗。拉电流pMOS晶体管的RON为0.85 Ω,灌电流nMOS晶体管的RON为0.35 Ω,驱动器可视为近乎理想的开关,由于该IC的功耗更低,因此可以使其运行温度更低。
共模瞬态抗扰性(CMTI)至关重要,可以确保在电隔离栅极驱动IC的输入与输出参考电位(接地)之间快速瞬变期间不会发生信号破坏的情况。由于碳化硅MOSFET可以产生超过100 V/ns的快速电压瞬变,CMTI是选择栅极驱动器时要考虑的一个关键参数。1EDB6275F和1EDB9275F可确保最低的300 V/ns CMTI稳健性,而2EDF9275F和2EDS9265H最低为150 V/ns,这远远超出大多数快速开关碳化硅应用的要求。
为充分发挥碳化硅MOSFET的潜力,驱动器的时序也特别重要。低输入-输出传输延迟结合在温度和生产变化上的高精度,允许在半桥的两个PWM信号之间使用很短的死区时间;这可以通过增加有效功率传输周期来提高效率。


表1用于英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V的栅极驱动IC
* 即将推出;1 VDDO = 15 V,VOUT = 0 V,Tamb = 25°C
图5为英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V在图腾柱PFC中的典型用例。它由EiceDRIVER™ 1EDB9275F和1EDN9550B驱动的48 mΩ碳化硅半桥器件组成,采用混合栅极驱动配置;通常使用低RDS(on) MOSFET作为同步整流器来实现功率路径中指示的二极管功能。因此,该功率级可处理最高3.3 kW,效率超过99%[7]。
英飞凌WBG技术的好处之一是可以使用标准的栅极驱动器,因为推荐的驱动电压分别为0 V和18 V。如[8]所示,与15 V驱动相比,18 V栅极驱动电压将RDS(on)降低约18%。总之,考虑到表1中列出的产品组合,客户在欠压锁定(UVLO)级别方面有很多选择,可以选择最适合的栅极驱动电压。UVLO功能可确保在输出侧电源电压VDDO降至导致电源开关以线性模式工作的等级时,栅极驱动IC将使晶体管处于“关断”状态并处于其安全工作(SOA)区内,从而避免了任何过多的功耗。1EDN6550B和1EDB6275F的典型UVLOoff为11.5 V,是15 V栅极驱动的正确选择。对于具有较高栅极驱动电压(如18 V)的应用场合,必须选择1EDN9550B、1EDB9275F、2EDF9275F或2EDS9265H,因为它们都具备更高UVLOoff等级。此外,如图5所示,建议在栅极和开尔文-源极之间连接一个肖特基二极管,以钳制在栅极端子上引起的开关感应下冲,这可能会导致整个使用寿命中栅极阈值电压VGS(th)的电位漂移。
由于1EDB9275F、1EDB6275F、1EDN9550B和1EDN6550B具有反向(IN-)和非反向(IN+)输入,因此可以通过将两个PWM信号路由至每个栅极驱动IC来实现击穿保护,如图5所示;任何不想要的低边和高边PWM信号的重叠都不会传播到晶体管的栅极。如果不需要此附加保护功能,只需将IN-连接至GNDI即可将其禁用。
简言之,EiceDRIVER™产品系列的单沟道和双沟道电隔离栅极驱动IC均为驱动英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的最佳选择,以在高性能功率转换应用场合实现效率、功率密度和稳健性的最佳组合。


5 基于EiceDRIVER™ 1EDB9275F1EDN9550BCoolSiC™MOSFET 650 V混合栅极驱动
 
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参考文献
[1] D. Varajao 和C. M. Matrisciano,“Isolated gate driving solutions: increasing power density and robustness with isolated gate driver ICs,”(《隔离栅极驱动解决方案:利用隔离栅极驱动IC提高功率密度和稳健性》) 英飞凌科技股份公司,应用笔记AN_1909_PL52_1910_201256,2020年
[2] 英飞凌科技股份公司,“EiceDRIVER™ 1EDN-TDI low-side gate drivers with Truly Differential Inputs (TDI),” 2019年。[线上]。 网址:https://www.infineon.com/1edn-tdi
[3] 英飞凌科技股份公司,“Applications of 1EDNx550 single-channel low-side EiceDRIVER™ with truly differential inputs,” (《支持真正差分输入的1EDNx550单沟道低边EiceDRIVER™的应用》)应用笔记AN_1803_PL52_1804_112257,2018年
[4] 英飞凌科技股份公司,“EiceDRIVER™ 1EDB single-channel isolated gate driver,” (《EiceDRIVER™ 1EDB单沟道隔离栅极驱动器》)2020年。[线上]。网址:https://www.infineon.com/1edb
[5] 英飞凌科技股份公司,“EiceDRIVER™ 2EDi dual-channel isolated gate driver,” (《EiceDRIVER™ 2EDi双沟道隔离栅极驱动器》)2018年。[线上]。网址:https://www.infineon.com/2edi
[6] 英飞凌科技股份公司,“Using the EiceDRIVER™ 2EDi product family of dual-channel functional and reinforced isolated MOSFET gate drivers,”(《利用双沟道功能和增强型隔离MOSFET栅极驱动器的EiceDRIVER™ 2Edi产品系列》) AN_1805_PL52_1806_095202,2019年
[7] 英飞凌科技股份公司,“3300 W CCM bi-directional totem pole with 650 V CoolSiC™ and XMC™,” (《搭载650 V CoolSiC™和XMC™的3300 W CCM双向推拉输出电路》)应用笔记AN_1911_PL52_1912_141352,2020年
[8] 英飞凌科技股份公司,“CoolSiC™ MOSFET 650 V M1 trench power device: Infineon’s first 650 V silicon carbide MOSFET for industrial applications,”(《CoolSiC™ MOSFET 650 V M1沟槽功率器件:英飞凌首款用于工业应用场合的650 V碳化硅MOSFET》)应用笔记AN_1907_PL52_1911_144109,2020年
 
 

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