第四代SiC FET突破性能限制,助力电动汽车等市场腾飞

2021-08-24 UnitedSiC
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新的第四代SiC FET构建在前代版本已经颇具吸引力的性能之上,并进一步提高了效率,其规格适合更多应用,本文中UnitedSiC讨论其性能的相对提高。


人们现在普遍认可,宽带隙(WBG)半导体就是高效率功率转换的未来,它的导通损耗和开关损耗均低于其他可比较的硅IGBT或MOSFET。自从2008年宽带隙碳化硅(SiC)JFET问世和2011年SiC MOSFET问世以来,此类器件的产量、性能和成本都已经有所提高,从而有理由声称如果能充分挖掘SiC的好处,使用SiC的整体系统成本会低于使用Si。不过仍有一些不便之处,SiC JFET是常开器件,而SiC MOSFET系统需要特殊的栅极驱动条件才能发挥最佳性能。然而,由SiC JFET和低压Si MOSFET以共源共栅结构组成的“SiC FET”解决了这些困扰,并降低了损耗,现已成为最佳解决方案。


第三代SiC FET满足了高增长型市场的需求

在功率相对高的应用中,第三代SiC FET是优选,其中的低损耗650V、1200V和1700V器件正在成为电动车、充电器、新能源、电路保护和IT基础架构领域中实现高效功率转换的关键助力。在这些电压电平下,第三代SiC FET可以取代IGBT和市场有售的最佳硅“超结”MOSFET。通过“堆叠”结构,还可达到更高的电压额定值,而并联该器件则可以实现更大的电流。在650V和1200V器件中,第三代SiCFET的RDS(ON)数值为同类最低,分别为7毫欧和9毫欧。


市场需要胜过以往的性能

在市场对于更高效率和功率密度以及更好的热电设计裕度的无休止追求下,SiC FET技术在第三代基础上又有所发展。通过进一步降低导通损耗和开关损耗可以实现这些目标,但是市场还想在不影响质量的前提下进一步降低成本。为满足此需求,新一代SiC FET的规格得到大幅改进,因而能够在将400V/500V总线用于软硬开关应用的庞大功率转换市场中进一步普及,如电动车/太阳能转换器、电池充电、PFC级、直流转换和IT基础架构交直流转换。


额定电压为750V的最新“第四代”SiC FET可加速这一过程,与650V SiC MOSFET相比,它的运行电压裕度要大得多,常用于上述应用中。为了实现想要的功率转换效率提升,该器件采用了先进的晶圆减薄技术和单元密度最大化工艺来地提高单位晶粒面积导通电阻(RDS·A)这一性能表征(FoM)。该性能表征结合了一定的静态损耗、给定晶圆体积下的晶粒以及更低的反向恢复电荷Qrr,其中晶粒会因体积更小和更低的相关器件电容而提高经济性和降低动态损耗。在实际中,导通电阻的绝对值很低,因而电流额定值不会受到影响,且由于采用导热性好的SiC基片和先进的银烧结式晶粒安装技术,它能维持高效热传输。在实现上述优点的同时,SiC FET仍具有可在0-12V下轻松进行栅极驱动的特征。


第三代与第四代的数值比较

图1显示了可以在500V总线上使用的SiC FET器件的部分性能数据示例。它的RDS(ON)、Qrr和EOSS等直接影响效率的参数都明显有优势,其中的性能表征RDS·A受导通电阻和相对晶粒面积数据影响。第四代器件的导通电阻随温度升高而升高的速度较快,但是与SiC MOSFET等可替代技术相比,它的整体效率更高,可以轻松抵消这一缺点。在这种效应的帮助下,短路耐受时间从3µs延长到8µs,提升了两倍多。从此处考虑的器件来看,体二极管浪涌电流耐受性也提升了两倍,达到了约1570A。

图1:第三代与第四代SiC FET比较


在“图腾柱 PFC”级或标准双电瓶逆变器等硬开关应用中,另一个性能表征RDS(ON)xEOSS也是一个有用指标。在这些电路中,器件输出电容COSS从高压开始迅速放电,从而可能产生高瞬态功率损耗。可以将COSS和因此存储的能量EOSS设计得非常低,但是这通常要以晶粒导通电阻和相应导通损耗高为代价,因而,性能表征RDS(ON)·EOSS可以反映这种影响。图2显示了SiC FET与一系列商用SiC MOSFET的此性能表征在25°C和125°C下的对比情况,清楚表明了SiC FET的优势。

图2:SiC FET和部分市场有售的SiC MOSFET的性能表征RDS(ON)·EOSS的对比


在硬开关应用中,任何体二极管效应中的低反向恢复电荷对于维持高效也都很重要。图1表明,从第三代发展到第四代,该值降低了近一半,而图3表明了它随温度而变的速度有多低。

图3:第四代SiC FET的Qrr比第三代低,且在温度变化时,它的变化很小


当发生器件反向导电或“第三象限”导电时,压降也很重要,而采用SiC FET时的压降值小于采用SiC MOSFET时。在SiC FET中,压降是反向导电的JFET沟道电压(约1.3V)和联合封装的低压型器件Si MOSFET的体二极管的“膝点”电压(约0.7V)之和,大小为2V。而SiC MOSFET的压降约为3至5V,相应地,损耗也会更多。


LLC和PSFB转换器等软开关应用也能从使用SiC FET中受益。这些电路的峰值电流高,而低RDSON值可以维持低导通损耗。此外,SiC FET的低输出电容COSS(tr)值支持使用更高的开关频率,因为可以尽量减小关闭延迟,从而避免有效占空比范围的限制(图4)。

图4:低COSS(tr)实现了可用开关频率最大化


在许多应用中,尽可能提升频率都很重要,可以获得更小的无源器件,尤其是磁性器件,带来的附带好处。开关的RDS(ON)·COSS(tr)是软开关的一个有用性能表征,而图5显示的是典型的SiC FET与一系列市场有售的其他可比较SiC MOSFET进行比较的情况。

图5:SiC FET和市场有售的同类SiC MOSFET的性能表征RDS(ON)xCOSS(tr)的比较


与可比较的SiC MOSFET相比,第四代SiC FET的效率优势十分明显,而且这不是以易用性为代价的。最新一代器件采用了ESD钳位二极管,仍可在0-12V栅极信号和最大+/-20V下有效驱动。栅极阈值约为5V,不同于SiC MOSFET,它通常不受温度影响。SiC FET栅极驱动兼容传统Si MOSFET或IGBT电平,便于将SiCFET用于旧式设计中,以提升性能。如果花时间优化这些旧设计中的栅极电阻和减少缓冲电路,则更换为SiC FET开关能获得更高的效率和更低的成本。甚至栅极驱动电路中的损耗也会显著降低,从IGBT电路中的数瓦降低至SiC FET电路中的接近为零。与旧开关技术不同,SiC FET很高效,没有“米勒”效应,从而避免了在漏极电压升高时出现“虚假”打开现象。类似地,SiC FET还可搭配开尔文源极连接提供,这可阻止源极封装连接电感与栅极驱动回路相互影响,从而产生不想要的类似虚假打开效应。


图6总结了第四代SiC FET与当前的典型SiC MOSFET相比的优点,表明无论是高温还是低温,它在所有领域均有极高的性能。

图6:第四代SiC FET相比SiC MOSFET的优势


由于有望实现更高的效率、更高的功率密度和更低的系统成本,对于400V或500V总线电压的应用而言,第四代750V SiC FET是十分具有吸引力的选择,相比常用的其他技术的650V额定值器件,它提供的裕度更高。该器件采用标准化封装并可选择采用开尔文连接,还有先进的散热设计,因而可以轻松实施到传统和新兴应用的新旧功率转换产品中。

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