SiC FET實現(xiàn)更高水平的設計靈活性的解決方案

為了滿足設計人員對更高性能、更高效系統(tǒng)的需求，UnitedSiC 宣布了新的 SiC FET，可實現(xiàn)更高水平的設計靈活性，最顯著的是 750 V、6 mΩ 的解決方案，其穩(wěn)健的短路耐受時間額定值為 5微秒。

UnitedSiC 工程副總裁 Anup Bhalla 采訪時表示，R DS（on）達到 6 mΩ在業(yè)界是前所未有的，而且擴展到 750 V 的 18 和 60 mΩ 器件組使設計人員具有更大的設計靈活性，以實現(xiàn)最佳的成本/效率權衡，同時保持充足的設計余量和電路穩(wěn)健性。

碳化硅場效應管

UnitedSiC 已開發(fā)出采用共源共柵排列的SiC，適用于需要常斷器件的電力電子應用（圖 1）。功率 MOSFET 放置在共源共柵配置中的 JFET 頂部，并且將兩者封裝在一起以實現(xiàn)非常低的熱阻。

圖 1：UnitedSiC 的 SIC JFET 和 SiC 共源共柵排列 FET

在采訪中，Bhalla 指出，這些好處是通過品質(zhì)因數(shù) （FOM） 來量化的，例如R DS（on） × 一個可表示為單位管芯面積傳導損耗的量度，因此R DS（on） × E oss / Q oss用于評估硬開關應用。FOM R DS（on） × C oss（tr）另一方面，在軟開關應用中至關重要；Bhalla 說，UnitedSiC 器件在 750 V 下的值比在 650 V 下評估的其他解決方案低約 30%。評估 FOM 的選擇來自考慮不可能擁有限制 EMI 的理想零電感，從而限制開關頻率。

將 SiC FET 與 SiC MOSFET 進行比較時，通道中的電子遷移率要好得多，在相同電阻下允許使用更小的芯片，從而在相同的芯片面積下實現(xiàn)更低的電容和更快的開關或更低的 R DS（on），這是一個關鍵衡量在給定的性能和成本節(jié)約情況下，每個晶圓有更多芯片的潛力。導通電阻和輸出電容之間的相互作用由 C oss量化，輸出電容在給定額定電壓下會產(chǎn)生或多或少的開關損耗。

在圖騰柱 PFC 或標準兩電平逆變器等硬開關電路中，低 R DS（on）和低輸出電容以及接近零的電壓可提供卓越的反向恢復電荷 （Q rr ） 和低 E oss /Q oss與以前的版本相比。器件中使用了具有低正向壓降 （1.75 V） 的卓越且有彈性的集成二極管。在 LLC 或 PSFB 等高頻軟開關諧振轉換器拓撲中，UnitedSiC 第 4 代 SiC FET 可提高性能。

“在我們的器件中，碳化硅中沒有 pn 結體二極管；相反，這是在 MOSFET 中，”Bhalla 說?！皩τ谟查_關應用，SiC FET 的集成體二極管在恢復速度和正向壓降方面優(yōu)于 Si MOSFET 技術?！?/p>

通過改進的晶圓減薄工藝和銀燒結芯片連接，第 4 代技術降低了從器件到外殼的耐熱性。在要求苛刻的應用中，這些特性允許最大功率輸出，同時保持最小的芯片溫升。

“每一代，我們的芯片都變得越來越小，但我們需要應對的功率水平并沒有改變；在所有這些中，燒結技術至關重要，我們將繼續(xù)改進它，”Bhalla 說?！耙虼?，為了解決第 4 代的散熱問題，我們將碳化硅芯片做得更??；隨著芯片變薄，芯片的電阻下降，但熱阻也隨之降低。然而，由于薄晶片容易破裂，因此處理起來極其困難。在這里，需要大量的工程設計，這表明規(guī)劃費用減少了，而且我們已經(jīng)顯著降低了 R DS（on）?！?/p>

UnitedSiC 的公告包括 SiC FET 750-V 系列的九種新器件/封裝選項，額定值為 6、9、11、23、33 和 44 mΩ。所有器件均采用 TO-247-4L 封裝，而 18-、23-、33-、44- 和 60-mΩ 器件也采用 TO-247-3L 封裝。Bhalla 指出，封裝的差異是由于開關模式下的不同電流處理，其中電感可能是一個非常關鍵的因素。

圖 2：具有 5 μs 短路耐受時間額定值的最低 R DS（on） SiC FET

應用

改進的開關和 R DS（on）允許在電動汽車中實現(xiàn)更強大的新應用，例如牽引驅動和車載和非車載充電器，以及可再生能源逆變器、功率因數(shù)校正、電信轉換器的所有功率轉換階段，以及一般的 AC/DC 或 DC/DC 電源轉換。Bhalla 指出，額定電壓為 750V 時，400V 或 500V 電池/總線電壓應用具有更大的設計靈活性。

“我們的 SiC 器件具有極低的 R DS（on）特性，可將太陽能逆變器和儲能等可再生能源設備的散熱量限制在最低限度，”Bhalla 說。“從電路保護的角度來看，SiC JFET 的低 R DS（on）使其與低接觸電阻繼電器和接觸器相比非常具有競爭力?！?/p>

EV 中還包括將牽引電池電壓隔離到 12 V 的下變頻步驟，這通常使用 LLC 轉換器完成，這是目前最有效的架構。為了獲得最佳性能，LLC 轉換器在高頻下進行諧振開關，而 SiC FET 可能是一個很好的選擇。

據(jù) UnitedSiC 稱，牽引逆變器可以節(jié)省最大功率，并且 SiC FET 可以替代 IGBT。即使使用 SiC 器件，開關頻率也保持在 8 kHz 左右，因為磁性元件是電機，它不會隨著逆變器開關頻率的升高而縮小尺寸。單個 IGBT 及其并聯(lián)二極管可以被六個并聯(lián)的 6 米 SiC FET 替代，從而使半導體效率在 200 kW 輸出時提高 1.6% 至 99.36%，表明功率損耗降低了 3 kW。

圖 3：3.6 kW 圖騰柱 PFC 中的 750-V 第 4 代 UnitedSiC FET 性能。彩色條表示使用不同設備的功率損耗，所有這些設備都可以使用，但在滿載時提供不同的效率。

據(jù) Bhalla 稱，圖 3 比較了 3.6 kW 圖騰柱功率因數(shù)校正 （TPPFC） 電路的許多組件，展示了新型 SiC FET 的設計多功能性。TO-247-4L FET 有 18 米或 60 米的長度可供選擇，是 TPPFC 應用的理想選擇。圖 3 描繪了新型 23、33 和 44 米 750V SiC FET 的性能，它們的峰值效率超過 99.3%。據(jù) UnitedSiC 稱，UJ4C075018K4S 是設計人員的理想選擇，他們希望最大限度地提高滿載效率，同時最大限度地減少熱管理需求。如果輕到中負載效率和性價比對客戶很重要，UJ4C075023K4S 或 UJ4C075033K4S 是不錯的選擇。同時，設計人員可以使用 UJ4C075044K4S 和 UJ4C075060K4S 產(chǎn)品為低功耗（例如 1.5 kW）系統(tǒng)和低成本解決方案定制他們的選擇。

審核編輯：郭婷