碳化硅電源的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

碳化硅 （SiC） 是一種成熟的器件技術(shù)，在 900 V 至 1，200 V 以上的高壓、高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用中，與硅 （Si） 技術(shù)（包括硅超結(jié) （SJ） 和絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） ）相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。1 最近推出的 650 V SiC MOSFET 產(chǎn)品通過(guò)輕松取代 IGBT、從 Si SJ 應(yīng)用領(lǐng)域中脫穎而出，并在中壓范圍內(nèi)提供氮化鎵 （GaN） 的替代品，進(jìn)一步擴(kuò)大了 SiC 的使用范圍。

當(dāng)用SiC替換Si器件或使用SiC重新設(shè)計(jì)時(shí)，工程師必須考慮SiC的不同特性、功能和優(yōu)勢(shì)，以確保成功。以下是來(lái)自 Wolfspeed 電源專(zhuān)家的 SiC 設(shè)計(jì)技巧列表。

RDS（ON） 隨溫度的變化

SiC 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是低 RDS（ON），在很寬的溫度范圍內(nèi)變化僅為 1.3× 至 1.4×而在硅或 GaN 器件中，RDS（ON） 可能會(huì)從 25°C 時(shí)的額定溫度增加到 120°C 至 140°C 范圍內(nèi)的實(shí)際結(jié)溫的兩倍到三倍（圖 1）。因此，仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)表并指定正確的I2R或傳導(dǎo)損耗非常重要。

圖1：60 mΩ Si或GaN器件的熱>為120 mΩ，而90 mΩ SiC器件的熱度為120 mΩ。

無(wú)膝電壓

IGBT針對(duì)全額定電流下的熱設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。低于該點(diǎn)的是VCE（sat）指數(shù)“拐”電壓曲線（圖2）。碳化硅 MOSFET 的 VDS 特性是線性的，在低于全額定電流的任何點(diǎn)均提供較低的導(dǎo)通損耗。

在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，這一點(diǎn)特別有用，因?yàn)槠渲序?qū)動(dòng)循環(huán)大多低于全額定功率。當(dāng)并聯(lián)使用時(shí)，IGBT VCE（sat）曲線加劇了這個(gè)問(wèn)題。

因此，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮其熱設(shè)計(jì)點(diǎn)和任務(wù)概況。

圖2：Tj = 50°C 時(shí)模塊中 50 A IGBT 與 150 A SiC MOSFET 的比較。 在三分之一額定電流下，SiC的損耗是IGBT的一半。

有效開(kāi)關(guān)頻率

有效開(kāi)關(guān)頻率 （ESF） 定義為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中器件在額定I C100 下可以承受的最大頻率，方波占空比為 50%，而不會(huì)超過(guò)器件在工作電壓下規(guī)定的最大功耗。藝術(shù)

其中：

有效開(kāi)關(guān)頻率（ESF）定義為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中器件在額定IC100下可以承受的最大頻率，方波占空比為50%，而不會(huì)超過(guò)器件在工作電壓下規(guī)定的最大功耗。藝術(shù)

圖3：頻率優(yōu)化考慮了冷卻開(kāi)關(guān)頻率的實(shí)際限制和物料清單成本。

與40 mΩ硅器件相比，40 mΩ Wolfspeed SiC MOSFET的理論ESF高10×。雖然這讓我們得以一窺SiC的功能，但冷卻、磁性和成本對(duì)開(kāi)關(guān)頻率造成了實(shí)際限制。

冷卻成本增加，但電感器和電容器的無(wú)源BoM成本隨著開(kāi)關(guān)頻率的降低而降低。對(duì)于IGBT，最佳頻率約為18 kHz，冷卻和無(wú)源BoM節(jié)約曲線在此相交。對(duì)于導(dǎo)通損耗較低的 SiC MOSFET，成本權(quán)衡的最佳點(diǎn)約為 60 kHz（圖 3）。

設(shè)計(jì)人員必須注意，最小化電感是有限制的，特別是當(dāng)系統(tǒng)連接到電網(wǎng)時(shí)。雖然SiC器件本身比IGBT更昂貴，但頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)可在系統(tǒng)級(jí)節(jié)省20%至25%的成本。

針對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化

MOSFET 的品質(zhì)因數(shù) （FoM） 由以下公式定義。其背后的想法是，較低的RDS（ON）意味著較低的傳導(dǎo)損耗，而較低的柵極電荷Qg意味著較低的開(kāi)關(guān)損耗。如果他們的產(chǎn)品FoM最小化，總損失就會(huì)最小化。

圖4：對(duì)于此概念示例，F(xiàn)sw 為 15 kHz。在分頻點(diǎn)之后，CAB400M12XM3可以提供比CAB450M12XM3更高的安培數(shù)。

通過(guò)檢查 Wolfspeed 兩個(gè)功率密度最高的功率模塊的輸出電流和輸出功率與開(kāi)關(guān)頻率特性，設(shè)計(jì)人員必須如何仔細(xì)選擇適合其應(yīng)用的最佳產(chǎn)品（圖 4）。450 A CAB450M12XM3 模塊針對(duì)極低的 RDS（ON） 進(jìn)行了優(yōu)化，但 400 A CAB400M12XM3 模塊針對(duì) FoM 進(jìn)行了優(yōu)化。超過(guò) 15 kHz，400 A 可提供更高的電流和更高的功率。

對(duì)于通常在 20 kHz 以下運(yùn)行的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，高安培數(shù)模塊是有效的，但對(duì)于在 48 kHz 至 60 kHz 范圍內(nèi)切換的太陽(yáng)能逆變器，400 A 模塊是更好的選擇。

VDS 堅(jiān)固性和降額

IGBT的額定電壓通常為1.2 kV，VDS擊穿電壓接近1.25 kV。Wolfspeed 的 SiC MOSFET 額定電壓為 1.2 kV，但擊穿電壓通常高出數(shù)百伏。在航空航天應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員必須降額以考慮宇宙輻射的影響，SiC的魯棒性提供了優(yōu)勢(shì)。

反向恢復(fù)

在軟開(kāi)關(guān)或使用非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可能不會(huì)太關(guān)注它，但反向恢復(fù)（Qrr）對(duì)于對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)非常重要，包括降壓、升壓和圖騰柱PFC。Wolfspeed 650 V SiC MOSFET 在反向恢復(fù)時(shí)間 T rr 為 11 ns 時(shí)具有 16 nC Q rr，而典型的 650 V Si MOSFET 在 T rr 為 13 ns 時(shí)具有 725 μC Q rr。

開(kāi)爾文源極引腳

開(kāi)爾文源極引腳（盡可能靠近 MOSFET 芯片源極連接的開(kāi)爾文連接）用于減輕 MOSFET 內(nèi)部鍵合線引起的電感。為了保持SiC器件的高開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)勢(shì)，開(kāi)爾文源極引腳至關(guān)重要。

開(kāi)爾文源極引腳也會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗。例如，在 30 A IDS下，無(wú)開(kāi)爾文引腳和 247 nH 源極電感的 TO-3-12 SiC MOSFET 的總開(kāi)關(guān)損耗接近 430 μJ（圖 5）。采用TO-247-4封裝的同一產(chǎn)品（帶有開(kāi)爾文源極引腳）在相同的IDS上只有150 μJ的開(kāi)關(guān)損耗。改用更小的封裝，如 TO-263-7 或表面貼裝 D2PAK-7，可進(jìn)一步降低固有的源極電感和損耗。

圖5：開(kāi)爾文源極引腳有助于避免柵極驅(qū)動(dòng)器環(huán)路中的電感，并減少開(kāi)關(guān)能量損耗。

柵極驅(qū)動(dòng)注意事項(xiàng)

驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須記住，需要負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)以確保硬關(guān)斷，這與硅不同，硅使用正柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)接通器件。要記住的其他 SiC 特定因素包括：

更快的 dV/dt 和 >100 kV/μs 的額定共模瞬變抗擾度 （CMTI）

峰值連續(xù)工作電壓 （V IORM） 高達(dá) 1.7 kV

驅(qū)動(dòng)能力通常更高功率，最高可達(dá) 10 A

傳播延遲和通道失配時(shí)間通常為 <10 ns

有源米勒箝位要求，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)速度更高，2 V時(shí)閾值略低

由于 SiC 芯片尺寸較小 （<1.8 μs），可實(shí)現(xiàn)快速短路保護(hù)

除此之外，驅(qū)動(dòng)SiC器件就像驅(qū)動(dòng)硅基器件一樣。

處理電磁干擾

由于SiC器件的目標(biāo)開(kāi)關(guān)頻率通常較高，并且其上升和下降時(shí)間遠(yuǎn)短于Si產(chǎn)品，因此工程師可能傾向于認(rèn)為這會(huì)導(dǎo)致更大的EMI問(wèn)題。

但是，與Si相比，對(duì)所需的低頻噪聲或差模EMI濾波器尺寸沒(méi)有影響。雖然對(duì)輸入端子上的導(dǎo)通模式噪聲有影響，但它僅在兆赫茲范圍內(nèi)。與硅基器件一樣，這種高頻EMI可以通過(guò)使用高頻材料和電容器進(jìn)行EMI抑制來(lái)衰減。

應(yīng)用范圍廣

如今，SiC 器件用于從 200 kW UPS、180 kW 電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)和 10 kW 太陽(yáng)能逆變器到 220 W LED SMPS 等各種應(yīng)用，所有這些應(yīng)用均在設(shè)計(jì)時(shí)牢記一些 SiC 設(shè)計(jì)考慮因素和通常的良好設(shè)計(jì)原則。

審核編輯：郭婷