具有SiC和GaN的高功率

電力電子將在未來幾年發(fā)展，尤其是對(duì)于組件，因?yàn)?WBG 半導(dǎo)體技術(shù)正變得越來越流行。高工作溫度、電壓和開關(guān)頻率需要 GaN 和 SiC 等 WBG 材料的能力。從硅到 SiC 和 GaN 組件的過渡標(biāo)志著功率器件發(fā)展和更好地利用電力的重要一步。

與傳統(tǒng)硅 (Si) 相比，新型半導(dǎo)體材料碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 具有更好的導(dǎo)熱性、更高的開關(guān)速度和更小的物理器件。硅技術(shù)受到所使用的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的寄生二極管的不良特性的影響，它會(huì)產(chǎn)生高電流峰值和高 EMI。寬帶隙 (WBG) 材料的導(dǎo)電和開關(guān)性能比 Si 好 10 倍左右。因此，WBG 技術(shù)代表了電力電子的自然應(yīng)用，尤其是電動(dòng)汽車，因?yàn)?SiC 和 GaN 組件可以更小、更快、更高效。

日益強(qiáng)大的電子元件

SiC 和 GaN 代表了對(duì)現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)，例如 MOSFET 和隔離柵雙極晶體管 (IGBT)。在積極方面和改進(jìn)中：

它們更低，確保更低的損失;

它們以更高的開關(guān)頻率工作;

它們可以承受更高的工作溫度;

它們?cè)诶щy的環(huán)境中非常堅(jiān)固;和

它們提供更高的擊穿電壓。

電子行業(yè)正朝著充電時(shí)間更短、損耗更低的大型高壓電池發(fā)展。因此，新材料非常有用。最初可用的 SiC 器件是簡(jiǎn)單的二極管，但材料技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)，可以生產(chǎn) JFET、MOSFET 和雙極晶體管。

SiC 與 GaN

寬帶隙功率器件 很貴。因此，使用它們而不是另一種(更便宜的)技術(shù)的好處必須非常大。那會(huì)有什么好處，它是否足夠重要以使成本成為次要標(biāo)準(zhǔn)?GaN 出現(xiàn)在 SiC 之后。理論上，GaN 比 SiC 更快，并且允許更高的開關(guān)速度。但由于其高成本和可靠性問題，它的采用速度很慢。GaN 電壓目前限制在大約 650 V。SiC 電壓通常在大約 650 V 到 1,200 V 或更高。SiC廣泛用于元件生產(chǎn)，比GaN更便宜、更堅(jiān)固、更可靠。從封裝的角度來看，SiC 器件采用 TO-247 和 TO-220 容器。即使在現(xiàn)有項(xiàng)目中，也可以快速簡(jiǎn)單地更換組件，并具有許多直接優(yōu)勢(shì)。相反，GaN 器件使用表面貼裝封裝，使用相應(yīng)的限制。使 SiC 在工業(yè)系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)因素是過壓條件下的高可靠性。相反，對(duì)于 GaN 器件，不應(yīng)超過最大電壓。

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應(yīng)用

寬帶隙器件在高溫、高開關(guān)速度和低損耗下平穩(wěn)工作。因此，它們非常適合軍事和工業(yè)應(yīng)用。它們的主要用途是用于大功率的橋式電路，用于逆變器、D 類音頻放大器等。在大功率應(yīng)用中，短路瞬變和浪涌的魯棒性是一個(gè)非常重要的問題?？刂齐妱?dòng)汽車中電機(jī)的逆變器是可以利用 WBG 設(shè)備的系統(tǒng)示例。逆變器的主要功能是將直流電壓轉(zhuǎn)換成三相交流波形來驅(qū)動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。由于逆變器將電池能量轉(zhuǎn)換為交流電，因此轉(zhuǎn)換過程中的損耗越低，系統(tǒng)的效率就越高。與硅相比，SiC 器件具有更高的電導(dǎo)率和更高的開關(guān)頻率，從而降低了功率損耗，因?yàn)楦俚哪芰恳詿崃康男问较ⅰＷ罱K，基于 SiC 的逆變器效率的提高將為電動(dòng)汽車帶來更大的自主權(quán)。充當(dāng)控制器和功率器件之間接口的關(guān)鍵元件是柵極驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于采用新器件的電子設(shè)計(jì)人員來說，柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)總是存在問題，因此了解如何驅(qū)動(dòng) SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶體管必須在更高的柵極電壓下工作，并且必須具有高效的“dV/dt”才能實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)時(shí)間。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)還需要遵循新的組件，例如 SiC MOSFET。它們必須具有用于控制 SiC 驅(qū)動(dòng)器的不對(duì)稱輸出。絕緣和寄生電容也是設(shè)計(jì)中需要考慮的非常重要的因素。了解如何驅(qū)動(dòng) SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶體管必須在更高的柵極電壓下工作，并且必須具有高效的“dV/dt”才能實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)時(shí)間。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)還需要遵循新的組件，例如 SiC MOSFET。它們必須具有用于控制 SiC 驅(qū)動(dòng)器的不對(duì)稱輸出。絕緣和寄生電容也是設(shè)計(jì)中需要考慮的非常重要的因素。了解如何驅(qū)動(dòng) SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶體管必須在更高的柵極電壓下工作，并且必須具有高效的“dV/dt”才能實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)時(shí)間。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)還需要遵循新的組件，例如 SiC MOSFET。它們必須具有用于控制 SiC 驅(qū)動(dòng)器的不對(duì)稱輸出。絕緣和寄生電容也是設(shè)計(jì)中需要考慮的非常重要的因素。

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SPICE 模型

采用 SiC 和 GaN 技術(shù)的電子元件在工業(yè)和商業(yè)層面都越來越受歡迎。出于這個(gè)原因，用于電子仿真的 SPICE 模型也在互聯(lián)網(wǎng)上傳播開來。在示例中，我們可以觀察到由 UnitedSiC 生產(chǎn)的組件 SiC FET UF3C065080T3S 的測(cè)試示意圖。該組件的電氣特性確實(shí)令人驚嘆：

漏源電壓(V DS)：650 V

柵源電壓 (V GS )：–25 V 至 25 V

連續(xù)漏極電流 (I D )：在 T C = 25°C — 31 A 時(shí);在 T C = 100°C — 23 A

脈沖漏極電流 (I DM )：65 A

功耗(P tot)：190 W

最高結(jié)溫 (T Jmax )：175°C

漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on) )：80 mΩ

柵極電阻 (R G )：4.5 Ω

其典型應(yīng)用有：

電動(dòng)汽車充電

光伏逆變器

開關(guān)模式電源

功率因數(shù)校正模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

感應(yīng)加熱

圖 ：UF3C065080T3S 的測(cè)試電路，MOSFET SiC JFET

SPICE 測(cè)試非常密集。如曲線圖所示，我們可以看到該組件在 100 kHz 處切換其狀態(tài)。耗散功率非常高，但它的工作沒有任何問題。您可以在 Internet 上輕松找到 SPICE 模型，該模型包含在“.subckt UF3C065080T3S nd ng ns”和“.ENDS”語句中。

圖：電路不同點(diǎn)的 SPICE 仿真圖

隨著 SiC 和 GaN 技術(shù)的日益普及，市場(chǎng)上的產(chǎn)品和器件也越來越多，性能也越來越高。讓我們來看看其中的一些。

UnitedSiC 的 UF3SC120009K4S

此 SiC FET 器件基于獨(dú)特的“共源共柵”電路配置，其中常開 SiC JFET 與 Si MOSFET 共同封裝，以生產(chǎn)常關(guān) SiC FET 器件。該器件的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)特性允許真正“直接替代”Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET 或Si 超結(jié)器件。該器件采用 TO-247-4L 封裝，具有超低柵極電荷和出色的反向恢復(fù)特性，非常適合開關(guān)電感負(fù)載和任何需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。一些特點(diǎn)如下：

典型導(dǎo)通電阻 (R DS(on),typ )：8.6 mW

最高工作溫度：175°C

出色的反向恢復(fù)

低柵極電荷

低固有電容

ESD 保護(hù)，HBM 2 類

TO-247-4L 封裝可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)、清晰的柵極波形

其典型應(yīng)用是電動(dòng)汽車充電、光伏逆變器、開關(guān)模式電源、功率因數(shù)校正模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)加熱。

該組件的電氣特性確實(shí)令人驚嘆：

漏源電壓 (V DS )：1,200 V

柵源電壓 (V GS )：–20 V 至 20 V

連續(xù)漏極電流 (I D )：120 A

脈沖漏極電流 (I DM )：550 A

功耗(P TOT)：789 W

最高結(jié)溫 (T J,max )：175°C

圖 ：UnitedSiC 的 UF3C065080T3S G3 SiC JFET

Power Integrations BridgeSwitch的半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 是由 Power Integrations 提供的具有集成設(shè)備保護(hù)和系統(tǒng)監(jiān)控功能的高壓、自供電、半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系列。BridgeSwitch 系列集成半橋極大地簡(jiǎn)化了高壓逆變器驅(qū)動(dòng)的兩相或三相 PM 或 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)和生產(chǎn)。它將兩個(gè)高壓 N 溝道功率 FREDFET 與低側(cè)和高側(cè)驅(qū)動(dòng)器集成在一個(gè)小外形封裝中。內(nèi)部功率 FREDFET 提供非常適合硬開關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)的超軟和超快速二極管。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器都是自供電的，因此無需外部輔助電源。BridgeSwitch 提供獨(dú)特的瞬時(shí)相電流輸出信號(hào)，簡(jiǎn)化了無傳感器控制方案的實(shí)施。低調(diào)的，緊湊型表面貼裝封裝可提供更長(zhǎng)的爬電距離，并允許通過印刷電路板對(duì)兩個(gè)功率 FREDFET 進(jìn)行散熱。BridgeSwitch 提供內(nèi)部故障保護(hù)功能和外部系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控。內(nèi)部故障保護(hù)包括 FREDFET 的逐周期電流限制和兩級(jí)熱過載保護(hù)。外部系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控包括具有四個(gè)欠壓電平和一個(gè)過壓電平的直流總線感應(yīng)，以及驅(qū)動(dòng)外部傳感器(如 NTC)。雙向總線單線狀態(tài)接口報(bào)告觀察到的狀態(tài)變化。內(nèi)部故障保護(hù)包括 FREDFET 的逐周期電流限制和兩級(jí)熱過載保護(hù)。外部系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控包括具有四個(gè)欠壓電平和一個(gè)過壓電平的直流總線感應(yīng)，以及驅(qū)動(dòng)外部傳感器(如 NTC)。雙向總線單線狀態(tài)接口報(bào)告觀察到的狀態(tài)變化。內(nèi)部故障保護(hù)包括 FREDFET 的逐周期電流限制和兩級(jí)熱過載保護(hù)。外部系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控包括具有四個(gè)欠壓電平和一個(gè)過壓電平的直流總線感應(yīng)，以及驅(qū)動(dòng)外部傳感器(如 NTC)。雙向總線單線狀態(tài)接口報(bào)告觀察到的狀態(tài)變化。

圖：Power Integrations 的半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

這些絕對(duì)最大額定值：

HD 引腳電壓：–1.3 V 至 600 V

HB 引腳電壓：–15 V 至 600 V

直流輸出電流：BRD1X60C 1.0 A

直流輸出電流：BRD1X61C 1.7 A

直流輸出電流：BRD1X63C 3.0 A

直流輸出電流：BRD1X65C 5.5 A

結(jié)溫：–40°C 至 150°C

GS66508T：GaN Systems

的 650V 增強(qiáng)型 GaN 晶體管 GS66508T 是增強(qiáng)型 GaN-on-Si 功率晶體管。GaN 的特性允許高電流、高電壓擊穿和高開關(guān)頻率。GaN Systems 實(shí)施獲得專利的 Island Technology 單元布局，以實(shí)現(xiàn)高電流芯片性能和良率。GaNPX 封裝可在小型封裝中實(shí)現(xiàn)低電感和低熱阻。GS66508T 是一款頂部冷卻晶體管，可為要求苛刻的大功率應(yīng)用提供極低的結(jié)殼熱阻。這些特性結(jié)合起來提供了非常高效的電源開關(guān)。其應(yīng)用眾多：高效電源轉(zhuǎn)換、高密度電源轉(zhuǎn)換、AC/DC 轉(zhuǎn)換器、無橋圖騰柱 PFC、ZVS 移相全橋/半橋拓?fù)洹⑼浇祲夯蛏龎?、不間斷電源、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，單逆變器腿，太陽能和風(fēng)能、快速電池充電、D 類音頻放大器、400V 輸入 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、車載電池充電器和牽引驅(qū)動(dòng)器。為了評(píng)估整個(gè) GaN Systems 650-V 系列 GaN E-HEMT 產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員可以使用帶有子卡(單獨(dú)出售)的通用主板。

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結(jié)論

為滿足效率和功率密度要求，設(shè)計(jì)人員可以使用最先進(jìn)的 WBG 半導(dǎo)體，例如 SiC 和 GaN。它們提供更高的開關(guān)頻率、低損耗、非常高的工作溫度和穩(wěn)健性。

　　審核編輯：湯梓紅