與CoolMOS驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中相同,CoolSiC MOSFET也可以使用EiceDRIVER驅(qū)動(dòng)集成電路。但是,應(yīng)注意的是,由于傳輸特性的差異(ID與VGS),CoolSiC這個(gè)器件的柵極電壓(VGS)應(yīng)以18V驅(qū)動(dòng),而不是CoolMOS使用的典型值12V。
如何利用SiC器件在開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中的性能優(yōu)勢(shì)?
發(fā)布時(shí)間:2020-12-25 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體行業(yè)在過(guò)去的幾十年里,已經(jīng)采取了許多措施來(lái)改善基于硅MOSFET (parasitic parameters),以滿足開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器(開(kāi)關(guān)電源)設(shè)計(jì)人員的需求。行業(yè)效率標(biāo)準(zhǔn)以及市場(chǎng)對(duì)效率技術(shù)需求的雙重作用,導(dǎo)致了對(duì)于可用于構(gòu)建更高效和更緊湊電源解決方案的半導(dǎo)體產(chǎn)品擁有巨大的需求。
半導(dǎo)體行業(yè)在過(guò)去的幾十年里,已經(jīng)采取了許多措施來(lái)改善基于硅MOSFET (parasitic parameters),以滿足開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器(開(kāi)關(guān)電源)設(shè)計(jì)人員的需求。行業(yè)效率標(biāo)準(zhǔn)以及市場(chǎng)對(duì)效率技術(shù)需求的雙重作用,導(dǎo)致了對(duì)于可用于構(gòu)建更高效和更緊湊電源解決方案的半導(dǎo)體產(chǎn)品擁有巨大的需求。
這個(gè)需求寬帶隙(WBG)技術(shù)器件應(yīng)運(yùn)而生, 如碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管(SiC MOSFET) 。它們能夠提供設(shè)計(jì)人員要求的更低的寄生參數(shù)滿足開(kāi)關(guān)電源(SMPS)的設(shè)計(jì)要求。
650V 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管器件在推出之后,可以補(bǔ)充之前只有1200V碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件設(shè)計(jì)需求,碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管(SiC MOSFET)由于能夠?qū)崿F(xiàn)硅場(chǎng)效應(yīng)管(Si MOSFET)以前從未考慮過(guò)的應(yīng)用而變得更具有吸引力。
碳化硅MOSFET越來(lái)越多用于千瓦級(jí)功率水平應(yīng)用,涵蓋如通電源,和服務(wù)器電源,和快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)電池充電器市場(chǎng)等領(lǐng)域。
碳化硅MOSFET之所以有如此的大吸引力,在于與它們具有比硅器件更出眾的可靠性,在持續(xù)使用內(nèi)部體二極管的連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)功率因數(shù)校正(PFC)設(shè)計(jì), 例如圖騰功率因子校正器的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?,碳化硅MOSFET可以得到充分利用。
此外,碳化硅MOSFET也可應(yīng)用更高的開(kāi)關(guān)頻率,因而可以實(shí)現(xiàn)體積更小,更加緊湊的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。
沒(méi)有免費(fèi)的午餐
當(dāng)然,世上是沒(méi)有免費(fèi)午餐的,在內(nèi)部體二極管和寄生參數(shù)方面,碳化硅MOSFET比硅 MOSFET具有更多的優(yōu)勢(shì),但代價(jià)是在某些方面參數(shù)碳化硅MOSFET性能比較差。
這就要求設(shè)計(jì)人員需要花時(shí)間充分了解碳化硅MOSFET的特性和功能,并考慮如何向新拓?fù)浼軜?gòu)過(guò)渡。有一點(diǎn)非常明顯:碳化硅MOSFET并不是簡(jiǎn)單地替換硅MOSFET,如果這樣使用碳化硅MOSFET可能會(huì)導(dǎo)致效率下降而不是升高。
例如,碳化硅CoolSiC器件的體二極管正向電壓(VF)是硅CoolMOS器件的四倍。如果不對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,很有機(jī)會(huì)在諧振LLC轉(zhuǎn)換器上在輕負(fù)載時(shí)效率可能下降多達(dá)0.5%。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意,如果要在CCM圖騰PFC設(shè)計(jì)中獲得最高的峰值效率,則必須通過(guò)打開(kāi)碳化硅MOSFET溝道而不是只通過(guò)體二極管進(jìn)行升壓。
另一個(gè)要考慮的因素是器件結(jié)殼熱阻,這方面CoolMOS稍有優(yōu)勢(shì),由于CoolSiC芯片尺寸較小,在相同封裝情況下,CoolSiC熱阻為1.0K/W(IMW65R048M1H),而CoolMOS則為0.8K/W(IPW60R070CFD7),但實(shí)證明這些熱阻的差異在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以忽略。
在工作溫度范圍內(nèi)導(dǎo)通電阻與硅器件比較
從器件參數(shù)上,設(shè)計(jì)人員可以快速明白碳化硅MOSFET其中好處之一,這個(gè)參數(shù)是導(dǎo)通電阻RDS(on)。
在芯片溫度100°C時(shí),CoolSiC有較低的倍增系數(shù)(multiplication factor,K),約為1.13,而CoolMOS則為1.67,這意味著在芯片溫度100°C時(shí)的工作溫度下,一個(gè)84mΩ的CoolSiC器件具有與57mΩ CoolMOS器件相同的RDS(on)。
這也清楚地表明,僅僅比較數(shù)據(jù)手冊(cè)中硅MOSFET和碳化硅MOSFET的 RDS(on)并不能反應(yīng)實(shí)際導(dǎo)通損耗的問(wèn)題。在芯片溫度低范圍,CoolSiC由于其較低的斜率倍增系數(shù)和對(duì)溫度的低依賴性,讓CoolSiC具有更高的擊穿電壓V(BR)DSS,因此比硅器件具有更大優(yōu)勢(shì),這對(duì)于那些位于室外或需要在低溫環(huán)境中啟動(dòng)的設(shè)備非常有幫助。
圖1:在芯片溫度25°C工作溫度兩種器件導(dǎo)通電阻基本相當(dāng), 溫度對(duì)CoolSiC RDS(on)的影響比CoolMOS要低
與CoolMOS驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中相同,CoolSiC MOSFET也可以使用EiceDRIVER驅(qū)動(dòng)集成電路。但是,應(yīng)注意的是,由于傳輸特性的差異(ID與VGS),CoolSiC這個(gè)器件的柵極電壓(VGS)應(yīng)以18V驅(qū)動(dòng),而不是CoolMOS使用的典型值12V。
這樣才可提供CoolSiC數(shù)據(jù)表中定義的RDS(on),如驅(qū)動(dòng)CoolSiC電壓限制為15V時(shí)它的導(dǎo)通電阻值高出18%。
如果設(shè)計(jì)CoolSiC電路時(shí)允許選擇新的驅(qū)動(dòng)集成電路器,則值得考慮具有較高欠壓鎖定(約13V)的驅(qū)動(dòng)集成電路,以確保CoolSiC 和系統(tǒng)可以在任何異常工作條件下安全運(yùn)行。
碳化硅MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在25°C至150°C溫度之間,對(duì)傳輸特性的改變非常有限。
圖2:在25°C(左)和150°C(右)的傳輸特性曲線表明,碳化硅MOSFET 受到的影響明顯低于硅MOSFET。
避免負(fù)柵極電壓
需要注意的一個(gè)問(wèn)題是要確保不允許柵極-源極關(guān)斷電壓(VGS)變得負(fù)值過(guò)大。理想情況下,不應(yīng)施加負(fù)的關(guān)斷電壓,但所以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí),設(shè)計(jì)工程師應(yīng)在原型制作時(shí)進(jìn)行檢查,將電路電壓振蕩降低不要讓振蕩電壓影響柵極-源極關(guān)斷電壓變成負(fù)值。
當(dāng)VGS低于-2V,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)15ns,這樣可能出現(xiàn)柵極閾值電壓(VGS(th))漂移,導(dǎo)致RDS(on)增大,以及整個(gè)應(yīng)用生命周期內(nèi)系統(tǒng)效率降低。負(fù)VGS出現(xiàn)的一個(gè)原因是由關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)集成電路和碳化硅MOSFET之間電路板寄生電感制造的柵源極電壓振蕩,這振蕩是由于碳化硅MOSFET關(guān)斷時(shí)電路板寄生電感有高速關(guān)斷電流(di/dt)通過(guò)所致。
第二個(gè)常見(jiàn)原因是導(dǎo)通時(shí)由電容驅(qū)動(dòng)的柵極-源極電壓,其源于半橋配置中第二個(gè)碳化硅MOSFET的高dv/dt開(kāi)關(guān)。
硅MOSFET設(shè)計(jì)中在此類(lèi)問(wèn)題一般可以通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器和硅MOSFET柵極之間插入一個(gè)高阻值電阻,或找到一種減慢di/dt和dv/dt的方式來(lái)解決。不幸的是,這些方法會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加和系統(tǒng)效率降低。而在使用碳化硅MOSFET時(shí),只需在柵極和源極之間增加一個(gè)二極管電壓鉗位即可解決這一難題。
在碳化硅MOSFET的設(shè)計(jì)中,如果該振蕩問(wèn)題是純電感性,降低振蕩方法是將碳化硅MOSFET源極分為電源極和驅(qū)動(dòng)器源極,鉗位二極管連接碳化硅MOSFET柵極和驅(qū)動(dòng)器源極之間。
當(dāng)然首選方法并使用開(kāi)爾文源極(Kelvin source)封裝的碳化硅MOSFET,特別在大電流應(yīng)用中。
例如,在3.3kW 連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)圖騰PFC中,關(guān)斷電流可以達(dá)到25A至30A。CoolSiC IMZA65R048M1H的開(kāi)通損耗EON比不使用開(kāi)爾文源極封裝的相同RDS(on)的 TO-247封裝碳化硅MOSFET, IMWA65R048M1H能夠降低三倍。
圖3:為避免碳化硅MOSFET的柵極電壓變?yōu)樨?fù)值,應(yīng)考慮使用二極管鉗位、或獨(dú)立的端和開(kāi)爾文源極。
實(shí)現(xiàn)超過(guò)99%的效率
在漏極-源極電壓VDS高于50V時(shí),CoolSiC MOSFET輸出電容COSS也比相對(duì)應(yīng)的CoolMOS MOSFET更高,CoolSiC MOSFET相對(duì)較大輸出電容COSS實(shí)際上可以降低關(guān)閉期間的過(guò)沖水平。
對(duì)于這兩種器件技術(shù),峰值VDS, max設(shè)置為數(shù)據(jù)表極限的80%。CoolMOS需要一個(gè)高柵極電阻來(lái)滿足要求,這種方法導(dǎo)致上面已經(jīng)提到的效率降低,但CoolSiC設(shè)計(jì)則可以不使用這種電阻方案,因而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和布局以及它們的應(yīng)用場(chǎng)景。這種好處取決于設(shè)計(jì)人員能否降低電路板寄生參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。
碳化硅MOSFET的QOSS特性也有利于硬開(kāi)關(guān)和諧振開(kāi)關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)。與硅MOSFET相比,碳化硅MOSFET的電荷QOSS降低了75%,因此所需的放電時(shí)間更少,這會(huì)降低CCM圖騰柱PFC的Eon損耗。
而且,雖然CoolMOS CFD/CFD7系列的Qrr比上一代 CoolMOS CFD改進(jìn)了十倍,但CoolSiC的Qrr參數(shù)再比CoolMOS CFD/CFD7的 Qrr又降低了五到十倍。
這意味著,通過(guò)使用48mΩCoolSiC器件,對(duì)于3.3kW CCM圖騰PFC而言,可以實(shí)現(xiàn)99%以上的效率,而在Dual Boost PFC設(shè)計(jì)中使用CoolMOS的最佳效率只能達(dá)到98.85%的峰值。
而且,盡管碳化硅MOSFET成本較高,但如果比較兩種設(shè)計(jì)方法的物料清單(BOM),結(jié)果是碳化硅MOSFETSiC解決方案物料清單相對(duì)的減少,可提供更具成本競(jìng)爭(zhēng)力,而效率高達(dá)99%的解決方案。
圖4:即便是107mΩ的CoolSiC CCM圖騰PFC其效率也接近99%,多數(shù)情況下性能都可超過(guò)最佳的CoolMOS Dual Boost PFC方案。
總結(jié)
多年來(lái),盡管硅MOSFET的技術(shù)進(jìn)步使其在寄生參數(shù)方面取得了顯著改善,但硅的基本物理學(xué)特性仍然在阻礙著其性能的進(jìn)一步提高,這限制了創(chuàng)新且又簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用,因而也阻礙了可持續(xù)綠色高效率的拓?fù)浒l(fā)展。
本文討論的碳化硅MOSFET技術(shù)在應(yīng)用中同樣也存在挑戰(zhàn),并非所有碳化硅MOSFET寄生特性都比硅MOSFET為好。但是,這種技術(shù)確實(shí)能夠提供許多優(yōu)勢(shì),加上在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的牢固性,使其值得在更高效電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中考慮采用。
650V CoolSiC系列的推出令這些優(yōu)勢(shì)更加明顯,從而使碳化硅MOSFET技術(shù)在將功率轉(zhuǎn)換效率推向更高極限的同時(shí),在經(jīng)濟(jì)方面也更加切實(shí)可行。
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