PCIM2024論文摘要｜新型400V SiC MOSFET用于高效三電平工業(yè)電機驅(qū)動

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400V SiC MOSFET技術(shù)商用化彌補了長期存在的200V中壓MOSFET與600V超級結(jié)MOSFET之間產(chǎn)品和技術(shù)空缺。400 V SiC MOSFET技術(shù)開關(guān)損耗低、導通電阻小，非常適合三電平拓撲結(jié)構(gòu)。本文簡要介紹了該器件的設計理念，并研究了其在ANPC拓撲的三相交流通用工業(yè)驅(qū)動器中的性能，該驅(qū)動器工作在高達750 VDC的輸入電壓下。

簡 介

目前400V市場還沒有有競爭力的解決方案?，F(xiàn)有的 200 V中壓MOSFET通過隔離的埋入式場板進行橫向電荷補償，但將其耐壓進一步提升的效果并不理想。同樣，將現(xiàn)有采用超級結(jié)技術(shù)的600V MOSFET的耐壓降低也存在問題。在這兩種情況下,應用性能都會因特定的器件設計而受到影響，即輸入、輸出和反向恢復電荷較大，輸出電容和米勒電容隨漏極電壓而明顯下降。這些特性阻礙了這些器件在硬開關(guān)半橋或全橋拓撲結(jié)構(gòu)中的普遍應用。

400 V SiC MOSFET器件的總體結(jié)構(gòu)沿用了之前介紹的設計方法[1][2]。圖1給出了元胞的橫截面示意圖。有源溝道沿α晶面排列，以提供最佳的溝道遷移率和最低的界面陷阱密度。柵極氧化物由深 p 阱保護，深 p 阱與半導體表面的源電極相連。由于第二溝道側(cè)壁與 α 晶面不重合，因此不用作有源溝道。相反，掩埋 p 區(qū)沿著非活動側(cè)壁與源電極相連。這使得元胞設計非常緊湊，再加上 α 晶面的高溝道遷移率，使得單位面積的導通電阻很低。

圖1. SiC MOSFET結(jié)構(gòu)橫截面示意圖

雖然新型400 V MOSFET與之前推出的第一代器件[2]、[3]的設計相似，但它得益于技術(shù)的不斷改進，使晶胞間距明顯縮小，溝道特性得到改善，漂移區(qū)特性得到更好的控制。此外，還對芯片設計進行了精心優(yōu)化，以避免不必要的有效面積損失，例如通過優(yōu)化結(jié)端設計。圖2比較了新型400 V和650 V CoolSiC技術(shù)的一些關(guān)鍵器件參數(shù)。

圖2. 400 V和650 V MOSFET的性能參數(shù)比較

新的400V SiC MOSFET 特別適合那些前級為三相/400Vac整流轉(zhuǎn)換為560V直流母線電壓的應用。目前，由于沒有其他選擇，這些應用通常采用兩電平拓撲結(jié)構(gòu)中的1200 V半導體。圖3所示的三電平有源中性點鉗位(3L ANPC)拓撲結(jié)構(gòu)[4]特別適合使用400 V器件，因為直流電容器將母線電壓一分為二。這樣就能實現(xiàn)800 V的阻斷能力，此外還能帶來雙向能量轉(zhuǎn)移的好處。

圖3. 三相3L ANPC逆變器基本示意圖

如圖4所示，在一個3相3電平ANPC逆變器中對器件性能進行了研究。該逆變器采用18個11 mΩ 400 V TOLL封裝的SiC-MOSFET。理想情況下,柵極驅(qū)動器可為三相系統(tǒng)提供18個隔離的柵極驅(qū)動電壓，因此采用了一種基于平面變壓器正激轉(zhuǎn)換器的可靠、低成本解決方案，只需一個輸入即可驅(qū)動18個隔離輸出。

圖4. 帶有柵極驅(qū)動器的 3 相 3L ANPC測試板

逆變器的開關(guān)頻率為10 kHz，每個開關(guān)的dv/dt限制在5 V/ns。它采用SPWM調(diào)制。在VDC=600 V、相電流為15 A，9.74千伏安負載的條件下,逆變器的效率為 n = 99.57 %。圖5和圖6顯示了測量到的電壓和電流波形，表明開關(guān)行為平穩(wěn)。

圖5. 無散熱器運行時的效率和最高外殼溫度測量值

圖6. 高壓側(cè)開關(guān)的導通和關(guān)斷波形 [VDS = 300 V，ILOAD = 30 A，di/dt = 750 A/μs]

論文全文將提供有關(guān)器件特性的更多細節(jié)，對測試環(huán)境的更詳細描述，并包括進一步的測量結(jié)果和對結(jié)果的解釋。

參考文獻

[1] D.Peters、T.Basler、B.Zippelius、T.Aichinger、W.Bergner、R.Esteve、D.Kueck 和 R.Siemieniec:面向低柵極氧化應力和高性能的新型 CoolSiCTM 溝槽 MOSFET 技術(shù),Proc.PCIM,紐倫堡,2017

[2] R.Siemieniec、D. Peters、R. Esteve、W. Bergner、D. Kück、T. Aichinger、T. Basler 和 B. Zippelius:提供改進溝道遷移率和高可靠性的碳化硅溝道 MOSFET 概念,Proc.EPE,波蘭華沙,2017 年

[3] R.Siemieniec、R. Mente、W. Jantscher、D. Kammerlander、U. Wenzel 和 T. Aichinger:用于高效電源的 650 V SiC 溝槽 MOSFET,Proc.意大利熱那亞 EPE,2019 年

[4] T.Brückner 和 S. Bernet:有源 NPC 開關(guān)在三電平電壓源逆變器中的損耗平衡》,Proc.PESC,加拿大溫哥華,2001 年