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要降本增效還要更可靠!能源基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)靠它們了!

發(fā)布時(shí)間:2024-08-07 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文簡(jiǎn)要回顧了與經(jīng)典的硅 (Si) 方案相比,SiC技術(shù)是如何提高效率和可靠性并降低成本的。然后在介紹 onsemi 的幾個(gè)實(shí)際案例之前,先探討了 SiC 的封裝和系統(tǒng)集成選項(xiàng),并展示了設(shè)計(jì)人員該如何最好地應(yīng)用它們來優(yōu)化 SiC 功率 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器性能,以應(yīng)對(duì)能源基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)。


本文簡(jiǎn)要回顧了與經(jīng)典的硅 (Si) 方案相比,SiC技術(shù)是如何提高效率和可靠性并降低成本的。然后在介紹 onsemi 的幾個(gè)實(shí)際案例之前,先探討了 SiC 的封裝和系統(tǒng)集成選項(xiàng),并展示了設(shè)計(jì)人員該如何最好地應(yīng)用它們來優(yōu)化 SiC 功率 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器性能,以應(yīng)對(duì)能源基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)。


從電動(dòng)汽車 (EV)充電站和太陽(yáng)能逆變器到能源儲(chǔ)存和不間斷電源系統(tǒng),能源基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)人員持續(xù)面臨著減少碳排放量、提高可靠性和降低成本的挑戰(zhàn)。


為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),他們需要仔細(xì)研究如何優(yōu)化其電源轉(zhuǎn)換解決方案,以減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗,保持良好的熱性能,減少整體外形尺寸,并降低電磁干擾 (EMI)。他們還必須確保所選擇的解決方案能夠滿足生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序 (PPAP),并符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而使用各種碳化硅 (SiC) 功率 MOSFET、SiC肖特基二極管、柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 和電源模塊。

SiC 與 Si

SiC 是一種寬帶隙 (WBG) 材料,其帶隙為 3.26 電子伏特 (eV),而 Si 的帶隙為 1.12 eV。與 Si 相比,SiC 提供了 10 倍的擊穿場(chǎng)能力,超過 3 倍的導(dǎo)熱率,并且可以在更高的溫度下工作。這些規(guī)格使得 SiC 很適合用于能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用(表 1) 。


要降本增效還要更可靠!能源基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)靠它們了!


表 1:與 Si 相比,4H-SiC 的材料屬性使之非常適合用于能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。(圖片來源:Onsemi)

更高的擊穿電場(chǎng)使得更薄的 SiC 器件具有與更厚的 Si 器件相同的額定電壓,而且相應(yīng)地的是,更薄的 SiC 器件就具有了更低的導(dǎo)通電阻和更高的電流能力。SiC 的遷移率參數(shù)與 Si 處于同一數(shù)量級(jí),支持緊湊的外形尺寸,這兩種材料都可用于高頻功率轉(zhuǎn)換。其更高的導(dǎo)熱率意味著 SiC 器件在更高的電流水平下溫升會(huì)更低。SiC 器件的工作溫度受限于封裝因素,如引線鍵合,而不是 SiC 材料特性。因此,選擇最優(yōu)封裝樣式才是設(shè)計(jì)人員使用 SiC 時(shí)重要考慮因素。

SiC 的材料特性使之成為許多高壓、高速、大電流和高密度電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的絕佳選擇。在許多情況下,問題不在于是否使用 SiC,而在于什么 SiC 封裝技術(shù)能提供最佳的性能和成本取舍。


設(shè)計(jì)人員在使用 SiC 電源技術(shù)時(shí)有三種基本的封裝選擇:分立器件、智能電源模塊 (IPM) 或電源集成模塊 (PIM),每一種都有一套獨(dú)特的成本和性能取舍(表 2)。例如:

  • 當(dāng)成本是一個(gè)主要考慮因素時(shí),如消費(fèi)應(yīng)用,通常傾向于使用分立器件。此外它們還支持雙源,并有很長(zhǎng)的使用壽命。

  • IPM 解決方案減少了設(shè)計(jì)時(shí)間,具有最高的可靠性,是最緊湊的中功率水平解決方案。

  • 與 IPM 相比,PIM 可以支持更高的功率設(shè)計(jì),具有更好的功率密度、合理的快速上市速度、廣泛的設(shè)計(jì)選擇,以及更多的實(shí)現(xiàn)雙源的機(jī)會(huì)。


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表 2:在選擇分立、IPM 和 PIM SiC 封裝解決方案時(shí)的集成特性和取舍之比較。(圖片來源:Onsemi)


混合 Si/SiC IPM

雖然有可能開發(fā)只使用 SiC 器件的解決方案,但有時(shí)使用 Si/SiC 混合設(shè)計(jì)更具有成本效益。例如,onsemi 的 NFL25065L4BT 混合 IPM 在輸出端將第四代 Si IGBT與 SiC 升壓二極管組合在一起,形成一個(gè)交錯(cuò)式功率因數(shù)校正(PFC) 輸入級(jí),適合用于消費(fèi)、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用(圖 1) 。這種緊湊的 IPM 包括了一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng),以盡可能減少 EMI 和損失。集成的保護(hù)功能包括欠壓鎖定、過流關(guān)斷、熱監(jiān)控和故障報(bào)告。NFL25065L4BT的其他特性包括:


  • 600 伏/50 安培 (A) 兩相交錯(cuò)式 PFC
  • 針對(duì) 20 千赫 (kHz) 開關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化
  • 使用氧化鋁直接鍵合銅 (DBC) 基底實(shí)現(xiàn)低熱阻
  • 集成用于溫度監(jiān)測(cè)的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻
  • 隔離額定值達(dá) 2500 伏均方根(rms)/1 分鐘
  • UL 認(rèn)證

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圖 1:NFL25065L4BT IPM 在輸出端使用第四代 Si IGBT 與 SiC 升壓二極管組成交錯(cuò)式 PFC 級(jí)。(圖片來源:Onsemi)


SiC PIM


對(duì)于太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車充電站和類似應(yīng)用,如果能夠使用基于 SiC 的 PIM,通過減少封裝和縮小總體積來最大限度地提高功率傳輸,那么設(shè)計(jì)人員就可以轉(zhuǎn)而使用 NXH006P120MNF2PTG。該器件包括一個(gè) 6 毫歐 (mΩ)、1200 伏的 SiC MOSFET 半橋和一個(gè)集成 NTC 熱敏電阻,采用 F2 封裝(圖2)。封裝選項(xiàng)包括:

  • 有或沒有預(yù)涂熱界面材料 (TIM)
  • 可焊接引腳或壓配引腳


這些 PIM 最大工作結(jié)溫為 175 攝氏度 (°C),需要外部控制裝置和柵極驅(qū)動(dòng)器??蛇x的壓配技術(shù),也稱為冷焊接,在引腳和印刷電路板上的電鍍通孔之間提供可靠的連接。壓配提供了簡(jiǎn)化的組裝方式,無需焊接,可實(shí)現(xiàn)氣密性、低電阻、金屬對(duì)金屬連接。


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圖 2:NXH006P120MNF2PTG集成電源模塊采用 F2 封裝,帶有壓配引腳。(圖片來源:Onsemi)


SiC 肖特基二極管


SiC肖特基二極管可與 IPM 結(jié)合使用,或用于 100% 的分立設(shè)計(jì),與 Si 二極管相比,它們具有更好的開關(guān)性能和更高的可靠性。像 1700 伏/25 A NDSH25170A 這樣的 SiC 肖特基二極管,沒有反向恢復(fù)電流,具有出色的熱性能,以及與溫度無關(guān)的開關(guān)特性。這些可轉(zhuǎn)化為更高的效率、更快的開關(guān)頻率、更高的功率密度、更低的電磁干擾和更輕松的并聯(lián),而所有這些都有助于減少解決方案的尺寸和成本(圖 3)。NDSH25170A 的特性包括:
  • 175°C 最大結(jié)溫
  • 506 毫焦耳 (mJ) 雪崩額定值
  • 最高 220 A 的非重復(fù)性浪涌電流,最高66 A 的重復(fù)性浪涌電流
  • 正溫度系數(shù)
  • 無反向恢復(fù),也無正向恢復(fù)
  • AEC-Q101 認(rèn)證資質(zhì)/PPAP 能力

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圖 3:1700 伏/25 A NDSH25170A SiC 肖特基二極管沒有反向恢復(fù)電流,具有出色的熱性能,以及與溫度無關(guān)的開關(guān)特性。(圖片來源:Onsemi)


分立式SiC MOSFET


設(shè)計(jì)人員可以將分立式 SiC 肖特基與onsemi 的 1200 V SiC MOSFET 結(jié)合在一起,與 Si 器件相比,SiC MOSFET 還具有優(yōu)異的開關(guān)性能、更低的導(dǎo)通電阻和更高的可靠性。SiC MOSFET 的緊湊芯片尺寸獲得了低電容和柵極電荷。較低的電容和柵極電荷加上低導(dǎo)通電阻,有助于提高系統(tǒng)效率,實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)頻率,提高功率密度,降低電磁干擾 (EMI),并允許更小的解決方案外形尺寸。例如,NTBG040N120SC1 的額定電壓為 1200 伏,電流為 60 安,采用 D2PAK?7L 表面貼裝封裝(圖 4)。特性包括:

  • 106 納庫(kù)侖 (nC) 典型柵極電荷
  • 139 皮法拉 (pF) 典型輸出電容
  • 100% 雪崩測(cè)試
  • 175°C 工作結(jié)溫
  • AEC-Q101 鑒定

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圖 4:NTBG040N120SC1 SiC MOSFET 的額定值為 1200 伏/60 A,導(dǎo)通電阻為 40 mΩ,采用D2PAK?7L 表面貼裝封裝。(圖片來源:Onsemi)


SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器


用于 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器,如onsemi NCx51705 系列,提供的驅(qū)動(dòng)電壓比用于 Si MOSFET 的驅(qū)動(dòng)器高。全導(dǎo)通 SiC MOSFET 需要 18 至20 伏的柵極電壓,而導(dǎo)通 Si MOSFET 則需要不到10 伏的電壓。此外,SiC MOSFET 在關(guān)斷時(shí)需要 -3至 -5 伏的柵極驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)人員可以使用針對(duì) SiC MOSFET 優(yōu)化的 NCP51705MNTXG 低壓側(cè)、單 6 A 高速驅(qū)動(dòng)器(圖 5)。NCP51705MNTXG 提供了最大的額定驅(qū)動(dòng)電壓,以實(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗,并且在導(dǎo)通和關(guān)斷期間提供高峰值電流,以盡量減少開關(guān)損耗。


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圖 5:簡(jiǎn)化示意圖顯示兩個(gè) NCP51705MNTXG 驅(qū)動(dòng)器 IC(中右)以半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)兩個(gè) SiC MOSFET(右)。(圖片來源:Onsemi)


設(shè)計(jì)人員可以使用集成充電泵來產(chǎn)生用戶可選擇的負(fù)電壓軌,以提供更高的 可靠性、提升的 dv/dt 抗擾度以及更快的關(guān)斷速度。在隔離設(shè)計(jì)中,可以用一個(gè)從外部獲得的 5 伏電壓軌為數(shù)字或高速光隔離器的二次側(cè)供電。NCP51705MNTXG 的保護(hù)功能包括基于驅(qū)動(dòng)電路結(jié)溫的熱關(guān)斷,以及偏置電源欠壓鎖定監(jiān)控。


評(píng)估板和SiC 柵極驅(qū)動(dòng)注意事項(xiàng)


為了加快評(píng)估和設(shè)計(jì)過程,設(shè)計(jì)人員可以使用 NCP51705SMDGEVB 評(píng)估板 (EVB) 來評(píng)估 NCP51705(圖 6)。該評(píng)估板包括一個(gè) NCP51705 驅(qū)動(dòng)器和所有必要的驅(qū)動(dòng)電路,包括一個(gè)板載數(shù)字隔離器以及能夠焊接任何采用 TO?247 封裝的 SiC 或 Si MOSFET。該評(píng)估板旨在用于任何低壓側(cè)或高壓側(cè)的電源開關(guān)應(yīng)用。在圖騰柱驅(qū)動(dòng)器中可以配置兩個(gè)或多個(gè)這樣的評(píng)估板。


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圖 6:NCP51705SMDGEVB EVB 有孔(上左),可連接 SiC 或 Si 功率 MOSFET,且包括 NCP51705 驅(qū)動(dòng)器(U1,中左)和數(shù)字隔離器 IC(右中)。(圖片來源:Onsemi)


在使用帶有 SiC MOSFET 的 NCP51705柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí),盡量減少印刷電路板的寄生電感和電容是很重要的(圖 7)。印刷電路板布局注意事項(xiàng):

  • NCP51705 應(yīng)盡可能靠近 SiC MOSFET,要特別注意的是 VDD、SVDD、V5V、充電泵和 VEE 電容與 MOSFET 之間的短印制線。
  • VEE 和 PGND 之間的印制線應(yīng)盡可能短。
  • 高 dV/dt 印制線與驅(qū)動(dòng)器輸入和DESAT 之間需要有隔離,以避免因噪聲耦合而導(dǎo)致的異常操作。
  • 對(duì)于高溫設(shè)計(jì),應(yīng)在裸焊盤和外層之間使用熱過孔,以盡量減少熱阻。
  • OUTSRC、OUTSNK 和 VEE 需要使用寬印制線。


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圖 7:NCP51705的推薦印刷電路板布局,可最大程度地減少驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 的寄生電感和電容。(圖片來源:Onsemi)


總結(jié)


SiC 在幫助設(shè)計(jì)人員滿足數(shù)量和種類日益增長(zhǎng)的能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的需求方面發(fā)揮著重要作用。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用 SiC 器件設(shè)計(jì)更有效的高壓、高速、大電流電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì),從而獲得更小的解決方案尺寸和更高的功率密度。但是為了讓 SiC 設(shè)計(jì)獲得最大收益,選擇最佳的封裝方式是很重要的。


如上所述,在分立器件、IPM 和 PIM 之間進(jìn)行選擇時(shí),需要考慮一系列的性能、上市速度和成本權(quán)衡。此外,在使用分立器件或 PIM 時(shí),為了實(shí)現(xiàn)可靠和高效的系統(tǒng)性能,SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇和最佳的印刷電路板布局也至關(guān)重要。

(作者:Jeff Shepard,文章來源:DigiKey得捷)


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