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从原理到实例:详解SiC MOSFET如何提高电源转换效率
 

【作者: Bill Schweber】2021年10月12日 星期二

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随着电源要求、法规管制以及效率标准和EMI要求的日趋严格,电源越来越需要采用开关功率元件,因为开关功率元件效率更高且工作范围更宽。与此同时,设计人员持续承受着降低成本和节省空间的压力,面对这些需求,需要替代经典矽(Si)基MOSFET的产品。


碳化矽(SiC)现已成熟并发展到第三代,已经成为一种明智的选择。采用SiC架构的FET具有许多性能优势,其中最为突出的特点是效率更高、可靠性更好、热管理问题更少,且占用空间更小。这些产品适用於整个功率范围,不需要彻底改变设计技术,不过可能需要进行一些调整。


本文对Si和SiC进行简要比较,介绍Cree/Wolfspeed的SiC元件范例,并说明如何使用此类元件进行设计。


SiC与Si MOSFET比较

首先要清楚了解相关技术和术语:采用SiC架构的FET是MOSFET,就像之前的矽晶片一样。从广义上讲,其内部物理结构相似,二者均为三端元件,具有源极、汲极和闸极连接。


区别正如名称所示:采用SiC架构的FET使用碳化矽做为基材,而不仅仅是矽。业内许多人士将其称为SiC元件,而忽略了MOSFET部分。本文将其称为SiC FET。


为什麽选择使用SiC化合物做为材料呢?由於各种深层物理学原因,SiC有三大电气特性与矽明显不同,每个特性均赋予其工作优势。此外,SiC还有其他一些更微妙的差异(图一)。



图一 : SiC与Si和GaN固体材料的关键材料性能的大致比较。与Si相比,SiC具有更高的临界击穿电压、更高的导热率和更宽的能隙。(source:Researchgate)
图一 : SiC与Si和GaN固体材料的关键材料性能的大致比较。与Si相比,SiC具有更高的临界击穿电压、更高的导热率和更宽的能隙。(source:Researchgate)


这些优势包括:


· 更高的临界击穿电场电压(约2.8MV/cm,Si为0.3MV/cm),因而在给定的电压额定值下工作时,可以使用更薄的层,大幅降低导通电阻。


· 更高的导热率,因而在横截面上可以实现更高的电流密度。


· 更宽的能隙(半导体(和绝缘体)中价带顶部与导带底部之间的能量差,单位为eV),使得高温下的漏电流更低。出於这个原因,SiC二极体和FET常被称为宽能隙(WBG)元件。


其结果是,采用SiC架构的元件其可阻断的电压比矽元件高出10倍左右,开关速度是矽元件的大约10倍,25℃时的导通电阻只有矽元件的一半或更低。同时,它能在最高200℃(矽元件为125℃)的温度下工作,因而使热设计和热管理得以简化。


至关重要的闸极驱动器

没有闸极驱动器,功率元件便无法工作。闸极驱动器将低电平数位控制讯号转换为所需的电流和电压讯号,并为功率元件提供所需的时序(同时还提供一些保护来防范大多数类型的外部故障)。对於SiC FET,驱动器必须具备一些额外功能以达到如下目的:


· 最大限度地降低传导损耗、开关损耗和闸极损耗。这些损耗包括关断和导通能量、米勒效应以及闸极驱动电流要求。关断能量可根据关断状态下的闸极电阻和闸源电压计算出来。为了减少这些损耗,必须从闸极抽取更多的电流。有一个办法是让驱动器在关断期间向闸极电压施加负偏压。类似的状况,减小闸极电阻可以降低导通能量消耗。


· 最大限度地降低米勒效应及其负面影响;在某些情况和应用配置下,寄生电容可能会导致意外导通。米勒效应所引起的这种导通会增加反向恢复能量并增加损耗,其中一种解决方案是让驱动器具备所谓的米勒箝位保护功能,进而在功率级开关期间控制驱动电流。


· 以适当的电压提供所需的灌电流和拉电流。为使损耗最小,SiC元件需要的正偏闸极驱动(+20V)一般比矽基MOSFET高。SiC元件可能还需要-2至-6V的负OFF闸极电压。所需闸极电流根据闸极电荷(Qg)、VDD、漏极电流ID、闸源电压和闸极电阻进行常规计算来确定,典型值约为几安培。该电流必须具有足够的灌电流和拉电流额定值,其压摆率须与SiC FET的开关速度相称。


· 对电路板和元件的寄生效应(包括杂散电感和电容)进行建模并使之最小化,以免在元件的较高开关速度下,这些寄生效应引起振荡、电压/电流过冲和误触发。矽MOSFET有一个较小的「尾」电流,充当阻尼器或缓冲器,可在某种程度上减少过冲和暂态振荡。SiC MOSFET没有这种尾电流,因此漏极电压过冲和暂态振荡可能较高并造成问题。要减少这些寄生效应,需要特别注意电路布局问题,尽量缩短导线长度,并将驱动器放置在尽可能靠近其功率元件的地方。即使几厘米的长度也可能很重要,因为当SiC FET以较高开关速度工作时,这些杂散电感和电容的影响更为显着。减小暂态振荡还有一个好处,那就是能够减少与元件的驱动侧和负载侧的高速开关相关EMI的产生。


尽管驱动SiC MOSFET会涉及其他问题,但许多供应商为此设计了标准IC,其特性可满足SiC元件的特定需求。请注意,在许多设计中,闸极驱动器和SiC FET必须与低压电路进行电隔离。这样可以透过光学、脉冲变压器或容性隔离技术,并利用标准零组件来实现。隔离首先是为了安全,防止使用者在电路故障时受到高压侵害。其次,很多电路拓扑(例如电桥配置)中的MOSFET本身不接地,因而需要隔离。


新元件性能和能力

Cree/Wolfspeed於2011年1月推出了首款商业封装的SiC MOSEFT CMF20120D(Wolfspeed是Cree的电源和射频部门,该名称於2015年宣布),而SiC晶圆在几年前便已上市。其额定值为1200V/98A,导通电阻为80mΩ(全部为25℃时的值),采用TO-247封装。在这之後,Cree推出第二代制程技术,现在提供的则是第三代SiC MOSEFT指定C3M元件(图二)。



图二 : Cree的第二代(左) 和第三代(右)SiC 制程结构的比较显示差异不大,但这些剖面图并未显示出最终的性能规格改进。(source:Cree/Wolfspeed)
图二 : Cree的第二代(左) 和第三代(右)SiC 制程结构的比较显示差异不大,但这些剖面图并未显示出最终的性能规格改进。(source:Cree/Wolfspeed)

例如C3M0280090J为900V SiC MOSFET平台之一,它针对高频电力电子应用进行了最隹化,包括可再生能源逆变器、电动汽车充电系统和三相工业电源(表一)。






































阻断电压



900 V



+25℃时电流额定值



11.5 A



RDS(ON) (+25℃)



280 mΩ



封装



TO-263-7



闸极电荷总计



9.5 nC



最高结温



+150



反向恢复电荷(Qrr)



47nC



反向恢复时间(Trr)



20 ns



表一:Cree的C3M0280090J SiC MOSFET优异特性显示其适用於可再生能源逆变器、电动汽车充电系统和三相工业电源。(source:Cree/Wolfspeed) 除电压/电流规格外,该元件还针对低电容的高速开关进行了最隹化,采用低阻抗封装,具有驱动器源极连接(图三),包括一个低反向恢复电荷(Qrr)的快速本徵二极体,并且漏极和源极之间具有很宽的爬电距离(约7mm)。


图三 : Cree的C3M0280090J采用低阻抗封装,具有驱动器源极连接。(图片来源:Cree/Wolfspeed)
图三 : Cree的C3M0280090J采用低阻抗封装,具有驱动器源极连接。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

利用此900V平台可实现尺寸更小、效率更高的新一代电源转换系统,其成本与矽基解决方案相当,但性能规格更隹化。安全工作区(SOA)曲线概括该SiC FET的能力(图四)。当漏源电压(VDS)较低时,最大电流受导通电阻限制;在中等VDS时,该元件可在短时间内维持15A的电流。



图四 : Cree的C3M0280090J安全工作区曲线显示了其IDS与VDS能力的关系。(图片来源:Cree/Wolfspeed)
图四 : Cree的C3M0280090J安全工作区曲线显示了其IDS与VDS能力的关系。(图片来源:Cree/Wolfspeed)

封装影响性能

Cree还提供三款规格相似的元件C3M0075120D、C3M0075120K和C3M0075120J,其差异主要是因封装不同所产生的。其数字尾码为D的元件采用三端子封装(TO-247-3),而尾码为K的元件采用四端子封装(TO-247-4)。这两款元件以及尾码为J的七端子元件均有开尔文源极接脚,它能降低闸极电路中L×di/dt引起的电压尖峰效应。如此一来,闸极和源极上便可施加更大电压,进而实现更快速的动态切换。当在接近额定电流的条件下测量元件时,结果显示开关损耗有可能降低3.5倍。


评估板、叁考设计加速成功

尽管与千兆赫兹频率射频设计截然不同,但打造高性能电路以在更高的电压和功率范围下工作仍然需要注意许多细节。零组件和布局的每一个细微之处和特徵都会被放大,实际电路对哪怕最小的问题和疏忽也不可以宽宥。


为了帮助设计人员评估诸如C3M0075120D和C3M0075120K之类的SiC FET,Cree提供了KIT-CRD-3DD12P降压-升压评估套件来展示这些元件的高速开关性能(图五)。它既支援C3M0075120D的三端子封装,也支援C3M0075120K的四端子封装(其馀方面与前者相同)。设计人员可以测试和比较采用不同封装的Cree/Wolfspeed第三代(C3M)MOSFET的性能。



图五 : 利用KIT-CRD-3DD12P评估套件,可以方便地评估三端子TO-247封装C3M0075120D和四端子C3M0075120K的性能。请注意,大散热器和环形电感器用於实现出色的散热性能。(source:Cree/Wolfspeed)
图五 : 利用KIT-CRD-3DD12P评估套件,可以方便地评估三端子TO-247封装C3M0075120D和四端子C3M0075120K的性能。请注意,大散热器和环形电感器用於实现出色的散热性能。(source:Cree/Wolfspeed)

该评估套件采用半桥配置,允许在上方和下方位置增加MOSFET或二极体,因此该板可配置为常见电源转换拓扑,例如同步降压或同步升压。它还允许在顶部或底部位置增加二极体,让使用者可以评估非同步降压或非同步升压转换器拓扑。


此外,为了减少功率损耗,该套件配有一个由「铁矽铝磁粉」制成的低损耗电感器。这种磁性金属粉末也称为Kool Mμ,由85%的铁、9%的矽和6%的铝所组成。它改进了关键磁性和温度叁数的规格,可替代坡莫合金。


对於需要设计自己的闸极驱动器子电路的使用者,Cree/Wolfspeed还为这些第三代SiC FET提供了CGD15SG00D2闸极驱动器叁考设计(图六)。



图六 : CGD15SG00D2闸极驱动器叁考设计的顶部(左)和底部(右);这是一个具有完整BOM的完整电路板,为用户评估三接脚与四接脚TO-247封装(使用相同SiC MOSFET晶片)的性能提供了条件。(source:Cree/Wolfspeed)
图六 : CGD15SG00D2闸极驱动器叁考设计的顶部(左)和底部(右);这是一个具有完整BOM的完整电路板,为用户评估三接脚与四接脚TO-247封装(使用相同SiC MOSFET晶片)的性能提供了条件。(source:Cree/Wolfspeed)

CGD15SG00D2的高阶方框图(图七)显示了该叁考设计的功能,包括光耦合器(U1)、闸极驱动器积体电路(U2)和隔离电源(X1)。光耦合器(5000V交流隔离)接受脉冲宽度调制(PWM)讯号,并提供35/50kV/μs(最小值/典型值)的共模抗扰度。其他值得注意的特性包括:


· 一个凹槽,用以增强印刷电路逻辑侧和电源侧之间的强制爬电距离规格,而且在电路板的初级电路和次级电路之间有9mm爬电性能增强缝。


· 一个2W隔离电源,用以支援较大MOSFET在较高频率下工作。


· 单独的闸极导通和关断电阻器,并具有专用二极体,支援用户订制和最隹化导通与关断讯号。


· 逻辑电源输入上的共模电感器可增强EMI抗扰度。



图七 : CGD15SG00D2闸极驱动器叁考设计的高阶方框图显示了其主要功能模组:光耦合器U1、闸极驱动器IC U2和隔离电源X1。(source:Cree/Wolfspeed)
图七 : CGD15SG00D2闸极驱动器叁考设计的高阶方框图显示了其主要功能模组:光耦合器U1、闸极驱动器IC U2和隔离电源X1。(source:Cree/Wolfspeed)

总结

在功率开关应用中,与传统Si MOSFET相比,Cree/Wolfspeed的第三代SiC MOSFET在效率和散热能力方面具有明显的性能优势。当与合适的驱动器一起使用时,它们可为新兴及现有的应用提供可靠且始终如一的性能。


(本文由Digi-Key Electronics公司提供)


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