1200V CoolSiCTM MOSFET兼具高性能與高可靠性
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
施加20 A電流時(shí)，總損耗Etot為0.43 mJ，開關(guān)頻率范圍為50~150 kHz。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/361134.htm試驗(yàn)條件：VGS=15/-5 V、RGext=4.5Ω、VDS= 800 V、Tvj=175℃，4管腳TO-247 封裝半橋配置，TO-247封裝的第4個(gè)管腳將驅(qū)動(dòng)直接接至源極管腳，避免源極雜散電感導(dǎo)致負(fù)載電流產(chǎn)生負(fù)反饋。因此，相比于3管腳TO-247封裝半橋配置，當(dāng)電流為20 A時(shí)，總開關(guān)能量可降低約100 μJ。僅就使用相同芯片的優(yōu)化封裝而言，降幅達(dá)到30%。
圖5展示了MOSFET通過調(diào)節(jié)柵極電阻RG來輕松控制電壓斜率dv/dt的能力。對(duì)于變頻應(yīng)用，這一點(diǎn)特別令人感興趣。然而，降低電壓斜率dv/dt的代價(jià)是增加開關(guān)損耗。
圖5為典型開關(guān)損耗(左軸，黑色曲線)和最大dv/dt值(右軸，紅色曲線)與RG的關(guān)系。試驗(yàn)條件：VDS=800V、ID=40A、VGS=15/-5V、Tvj=175℃，3管腳TO-247封裝半橋配置。
顯然，在沒有dv/dt限制的應(yīng)用中，損耗降低更為顯著，并且損耗降低隨開關(guān)頻率而增加。在DC-DC升壓器或降壓/升壓拓?fù)渲?，這很常見，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕、更廉價(jià)的磁性元件。諸多不同研究已經(jīng)證明，哪怕是用更高成本的開關(guān)器件，也能夠在許多應(yīng)用里節(jié)省材料成本。SiC元件成本將隨時(shí)間的推移而降低，因此，今后三到五年，采用SiC器件的應(yīng)用將越來越多。
靜態(tài)性能
MOSFET的靜態(tài)輸出特性的關(guān)鍵參數(shù)是總電阻RDS(ON)。在室溫和VGS=15V條件下，新推出的芯片可以實(shí)現(xiàn)45m?的典型導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)為正值，因而，該器件注定適用于并聯(lián)應(yīng)用。圖6將輸出特性與目前英飛凌性能最好的1200V HighSpeed 3 IGBT進(jìn)行了直接比較。得益于拐點(diǎn)電壓通態(tài)特性，特別是在輕載條件下，導(dǎo)通損耗可大幅降低。在系統(tǒng)級(jí)，不產(chǎn)生拐點(diǎn)電壓的導(dǎo)通性能特性，有可能大幅降低損耗。許多系統(tǒng)在其使用壽命期間的大多數(shù)時(shí)候都在輕載條件下運(yùn)行，因此，導(dǎo)通損耗大大低于標(biāo)準(zhǔn)IGBT技術(shù)。哪怕在低于5 kHz的極低開關(guān)頻率和不變dv/dt斜率條件下，相比于當(dāng)前市場(chǎng)上的商用IGBT解決方案，采用同步整流模式的集成體二極管無拐點(diǎn)電壓開關(guān)也可將總損耗降低50%。
不同于升壓級(jí)，典型逆變器應(yīng)用要求精確界定的短路耐受能力，特別是現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障時(shí)。為了滿足這個(gè)重要需求，CoolSiC? MOSFET將短路耐受能力納入技術(shù)規(guī)格的SiC MOSFET。
不同于典型DMOS性能，轉(zhuǎn)移特性(25℃/175℃)在VGS=12 V時(shí)出現(xiàn)交叉點(diǎn)。高于12V時(shí)，電流隨溫度升高而下降，這有利于限制短路事件飽和電流。
圖7所示為最嚴(yán)重的所謂硬短路事件。詳盡地分析了器件在這種特殊情況下的性能和穩(wěn)定性。CoolSiC? MOSFET是第一個(gè)將短路耐受能力納入技術(shù)規(guī)格的碳化硅MOSFET。
不同于標(biāo)準(zhǔn)IGBT，短路電流升至器件額定電流的10倍。取決于上述特性，第一個(gè)尖峰結(jié)束后，，飽和電流隨溫度降至較低水平。
結(jié)語(yǔ)
英飛凌SiC溝道MOSFET概念將低導(dǎo)通電阻與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，可防止過高柵極氧化層電場(chǎng)應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)類似于IGBT的柵極氧化層可靠性。就開關(guān)性能和損耗而言，SiC溝道MOSFET可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能。分析證實(shí)，可在開通和關(guān)斷瞬態(tài)下，完全控制電壓斜率。柵極電阻也可以控制導(dǎo)通電流斜率。在關(guān)斷狀態(tài)下，di/dt取決于寄生電容效應(yīng)。
此外，CoolSiC? MOSFET擁有電氣性能和諸如短路可靠性等穩(wěn)健特性的組合。
就電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度而言，CoolSiC? MOSFET技術(shù)在電力電子方面具有開創(chuàng)性。
本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第80頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。
評(píng)論