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从Si到Sic,MOSFET在三相功率转换器的桥式拓扑中的应用
  发布时间:2020-07-06   



本文作者为德国慕尼黑英飞凌科技股份公司的Fanny Björk博士(高级专家)和Zhihui Yuan博士(技术营销经理)

从硅到碳化硅

1200V SiC MOSFET拥有许多取代硅技术的理由。它最突出的特点是,动态损耗比1200V Si IGBT低。它在导通模式下没有少数载流子,不存在拖尾电流,从而使得关断损耗非常小。它的导通损耗相比IGBT也降低,这主要是因为,体二极管的低反向恢复损耗使得SiC MOSFET开通电流峰值变小。这两种损耗都不随温度的升高而增加。与IGBT不同的是,MOSFET的导通损耗为主,关断损耗其次,而IGBT通常完全相反。

另一个理由在于,1200V SiC MOSFET具有与650V Si超结MOSFET类似的开关性能。SiC MOSFET拥有低损耗体二极管,并且避免了超结器件(体二极管)反向恢复中的瞬变效应,是硬开关电路的最佳选择。之前使用650V器件的单相功率转换中的拓扑结构和解决方案,如今也可用于更高的母线电压的三相功率转换电路。

实际损耗降低

为了实现SiC MOSFET技术所承诺的理论上最低的动态损耗,在实际应用中必须确保特定器件设计参数的正确性。由米勒电容Cdg产生的电容反馈可导致栅极电压升高,进而造成寄生导通效应,最终导致动态损耗可能增大。寄生导通发生在MOSFET处于关断状态且反向并联二极管也关断时。如果感生门极电压高于器件的栅极阈值电压,则会发生直通事件。直通事件和引起的能量损耗的严重程度也取决于运行工况和硬件。正如Sobe等人[1]所述,更加关键的参数包括高总线电压、快速(dv/dt)开关瞬态、低导通栅极电阻以及高关断栅极电阻。MOSFET对于有害效应的敏感性,可以通过MOSFET的Cdg/(Cdg+Cgs)电容比率及其栅极阈值电压Vgs,th来估计。

在图1中,通过比较市面上现有的最新一代SiC MOSFET的数据表可以发现,它们由米勒电容产生的耦合栅极电压以及栅极阈值电压存在很大差异。就以600V总线电压VDC为例,只有两家厂商提供的产品对寄生导通(PTO)效应具有天然抗扰性,即,它们实现了栅极阈值电压和耦合栅极电压之间的平衡。

值得注意的是,多款器件的开关瞬态都适中;与快速IGBT相比,导通损耗显著降低。这为使用1200V MOSFET器件所能实现的可观益处提供了证明。从图2中也能看出,相比3引脚封装,采用辅助源极连接的TO247 4引脚封装能支持更快的电压变化率dv/dt(>50 V/ns)。在15A的试验电流条件下,这可使开关能耗降低10%以上。由于拥有额外的驱动源极引脚,几乎可以消除由引线电感所导致的电压降,4引脚封装在较大的电流条件下还可以实现更大的损耗降幅。

图1:通过计算相比器件典型Vgs,th额定值的、由电容引起的栅极压升,来比较不同器件对于有害寄生导通效应的敏感性。不同1200V SiC MOSFET器件的标称通态电阻为60-80mΩ。

图注:对寄生导通效应具有天然的抗扰性


图2:利用英飞凌的双脉冲评估板[2]测量市面上60-80 mΩ等级的SiC MOSFET,获得关断栅极电压为0V时,能实现的最小导通开关损耗和相应的dv/dt。两种TO247封装型号都达到最低损耗的事实,可以证明CoolSiC™ MOSFET对寄生导通能量损耗具有良好的抗扰性。试验条件为800V、15A和150°C。

安全运行的栅极驱动设计

在SiC MOSFET中,寄生导通效应不仅影响动态损耗,而且影响最大栅极电压下的安全运行,这对于栅极氧化层的可靠性至关重要。可以利用负栅极电压来抑制寄生导通效应。但在许多情况下又会出现另一个问题,即,相比器件数据表中允许的最高负栅极电压存在裕量不足。换言之,耦合电压可能超出限值。图3显示了这种情况的示意图。

图3:由电容耦合电压引起的导通和欠冲电压示意图。关于图中所示的参数,可以查阅IMZ120R060M1H的产品数据表[3]

图注:CoolSiC™ MOSFET:→由于寄生耦合电压通常不会超出Vgs,th(取决于VDC),所以它能实现0V关断,而无需负电压运行。

结果:CoolSiC™ MOSFET欠冲电压相比数据表中规定的最小VGS拥有充足的裕量。

由电容耦合产生的电压在关断栅极电压的基础上产生了欠冲电压。回看图1和图2可以发现,采用TO247封装的英飞凌CoolSiC™ MOSFET能以快速的电压变化率(dv/dt)和较低的损耗进行开关,同时不产生任何明显的寄生导通和欠冲电压。因此,CoolSiC™ MOSFET可同时实现高性能(动态损耗最低)和数据表中规格内的安全运行。以经过精心设计的、拥有最小栅极-漏极电容的PCB布局为例,英飞凌建议电力电子设计人员在关断电压为0V的条件下运行CoolSiC™ MOSFET。如此即可实现简化而不牺牲性能的单极栅极驱动设计。

损耗降低幅度高达80%的新一代伺服驱动

通常拥有高性能紧凑型变频器的、适用于工业机器人或自动化系统的伺服驱动系统,是受SiC MOSFET性能影响的应用之一[4]。在加速、恒速和制动等所有运行模式下都能实现导通损耗和开关损耗降低。恒速模式——即电机通常以很小的转矩(即,很小的电流)运行——的运行时间通常达到90%以上。在这种工况下,SiC MOSFET(参见图4)相比Si IGBT可实现大约80%的总体损耗降幅。因为SiC MOSFET的输出特性不存在拐点电压,因此损耗降幅不仅来自于动态损耗,也来自于导通损耗。


图4:在考虑到所有运行模式的情况下,伺服驱动变频器中系统损耗的典型降低幅度。为方便计算,用45mΩ等级的1200V CoolSiC™ MOSFET与采用两级B6拓扑的40A等级的1200V Si IGBT进行比较。

图注:


  • 系统损耗降低
  • 正常运行模式(恒速)
  • 脉冲电流模式(加速和制动)


在加速和制动模式下,驱动通常在更大的电流范围内运行。此时,即使在dV/dt相同(5V/ns)时,SiC的动态损耗相比IGBT也可最多降低50%。伺服驱动中,半导体损耗降低约80%,可用于提高伺服过载能力,使其在封装相同而电流更大时可以更加紧凑,从而减少风扇和/或散热器需求,并且甚至能将变频器集成到电机中。考虑到在通常使用的B6拓扑中的硬开关操作,CoolSiC™ MOSFET用于改进应用性能的关键特性包括低动态损耗,无明显的寄生导通效应,以及稳健的、适合于硬换流的内部体二极管。

充电桩功率密度提高一倍同时提升效率

可与三相电源相连的快速直流充电技术,因为能够缓解用户对于电动汽车续航里程的焦虑,而成为助力电动汽车市场发展的颠覆性变革者。随着越来越多站点的充电桩能用太阳能电池板等可再生能源给电动汽车或其它应用充电,适用于储能解决方案的双向充电技术也应运而生。先进的充电桩在DC-DC级使用软开关LLC拓扑,具体可参见图5中最上面的一幅图(如果在用户的应用中不需要双向充电,则在二次侧开关位置应使用二极管)。由于只有650V等级的硅器件具有足够低的动态损耗,所以需要两个级联的LLC全桥来支持800V的直流链路电压。

如果使用1200V SiC MOSFET,包含驱动芯片在内的开关数量可以减少一半(参见图5的中图)。零部件数减少50%,使得需要的电路板空间缩小,效率也可得到优化。对于SiC MOSFET解决方案,每个导通状态只需打开两个开关位置,而在650V等级的解决方案中则需要打开4个开关位置。考虑到使用硅器件系统中系统效率如今通常可被优化至97%左右,所以在SiC MOSFET中,由于输出电容变小,使得导通损耗降低50%,且关断开关损耗也降低,因而可以实现超过1%的效率提升。如果是双向充电,这就意味着可以节省2%甚至更多的电池电量。

1200V SiC MOSFET的总体开关损耗降低,加上适用于硬换向的内部快速体二极管,对于双有源电桥(参见图5中下图)等传统硬开关解决方案也有促进作用。通过大幅减少控制操作,降低总体复杂度,以及减少零部件数,这些解决方案可以变得越发有吸引力。


图5:包含二次侧双向充电功能的三相快速直流电池充电:比较硅基解决方案与采用1200V SiC MOSFET的解决方案。箭头表示,由于导通电流路径上的开关位置减少,所以SiC MOSFET可将导通损耗降低50%。

图注:


  • 650V硅基DC/DC级:2个全桥LLC
  • 1200V SiC MOSFET DC/DC解决方案1:1个全桥LLC
  • 1200V SiC MOSFET DC/DC解决方案2:1个DAB(双有源电桥)


结论

采用TO247封装的1200V CoolSiC™ MOSFET产品系列,既是电池充电基础设施和储能解决方案等新兴应用所必需的,也是伺服驱动等既有应用所不可或缺的。在硬开关和软开关拓扑中,CoolSiC™ MOSFET可提高效率,减少零部件数,并降低系统复杂度。英飞凌CoolSiC™ MOSFET对不利的寄生导通效应具有良好的抗扰性。这使得它在众多SiC MOSFET器件中动态损耗最低,能以简化的设计在数据表规定的限值内安全运行,并能使0V关断栅极电压变得可行。它能帮助实现简化而不牺牲性能的单极栅极驱动设计。

参考文献

[1] K. Sobe et al, “Characterization of the parasitic turn-on behavior of discrete CoolSiC™ MOSFETs”, PCIM Europe 2019, Nuremberg, Germany, 2019

[2] https://infineon.com/cms/en/pro uct/evaluation-boards/eval-igbt-1200v- 247

[3] https: //infineon.com/dgdl/Infin

[4] https: //wirautomatisierer.industrie.de


文章来源:英飞凌知乎账号
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