SiC器件與Si技術(shù)的對(duì)比優(yōu)勢(shì)及在PFC和Boost轉(zhuǎn)換器、硬/軟開關(guān)電路、電動(dòng)汽車牽引逆變器等應(yīng)用中的趨勢(shì)

SiC的應(yīng)用始于2000年，最早在PFC中采用了SiC JBS二極管。隨后是在光伏行業(yè)中，開始使用SiC二極管和FET。但是，最近在EV車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的激增，顯著推動(dòng)了SiC需求的增長。電動(dòng)汽車逆變器、650V設(shè)備的新興應(yīng)用以及服務(wù)器電源和5G電信整流器等的應(yīng)用有望推動(dòng)SiC需求的快速增長。本文介紹了這些SiC器件相對(duì)于現(xiàn)有Si技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

SiC器件的優(yōu)點(diǎn)

與IGBT相比，使用SiC FET的優(yōu)勢(shì)已得到充分證明。較寬的4H-SiC帶隙允許形成電壓阻擋層，理想情況下，其電阻要比相應(yīng)的單極硅器件小100倍。SiC的導(dǎo)熱系數(shù)也是硅的3倍?，F(xiàn)在，可在650-1700V范圍內(nèi)以平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)提供性能不斷提高的SiC MOSFET，但仍然存在MOS溝道遷移率低的問題。還可以使用基于SiC JFET的共源共柵FET，由于SiC JFET通道具有更高的整體遷移率，因此芯片尺寸更小。在本文的其余部分中，除非有必要進(jìn)行區(qū)分，否則我們將所有這些SiC晶體管都稱為SiC FET。在這兩者之間，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖蠖鄶?shù)情況下可以互換使用的。

圖1：第一象限傳導(dǎo)中SiC FET與IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)壓降

在1200V及更高電壓下，硅MOSFET取代了IGBT，IGBT在高負(fù)載電流下提供了更低的傳導(dǎo)損耗，但是由于更低的傳導(dǎo)損耗來自電導(dǎo)率調(diào)制，因此帶來了開關(guān)損耗的損失。IGBT通常與反并聯(lián)快速恢復(fù)PiN二極管一起使用，這也會(huì)造成開關(guān)損耗，因?yàn)橹挥星宄@些二極管中存儲(chǔ)的電荷，才能使它們保持截止?fàn)顟B(tài)電壓。

圖2：與IGBT，聯(lián)合 SiC FET 和典型SiC MOSFET一起使用的，不使用反并聯(lián)肖特基二極管的Si FRD的典型傳導(dǎo)特性

PFC和Boost轉(zhuǎn)換器中的SiC二極管

在PFC電路和升壓轉(zhuǎn)換器中廣泛使用SiC二極管，因?yàn)椴淮嬖诖鎯?chǔ)的電荷會(huì)導(dǎo)致FET中的E(ON)損耗大大降低，無論是在400V總線電壓下使用650V超結(jié)MOSFET，還是在600V-1500V總線電壓下使用快速IGBT。 實(shí)際上，使用SiC JBS二極管的優(yōu)勢(shì)隨電壓升高而增加。即使不使用SiC FET作為主要開關(guān)器件，這些二極管也能提供提高效率和提高工作頻率的途徑，這也為這些成熟產(chǎn)品提供了超過1億美元的市場(chǎng)。

硬開關(guān)電路中的SiC優(yōu)勢(shì)

表1列出了評(píng)估硬交換應(yīng)用的交換技術(shù)時(shí)感興趣的關(guān)鍵數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)。讓我們舉幾個(gè)重要的例子。對(duì)于服務(wù)器電源，根據(jù)功率水平，可以使用總線電壓為400V的電信整流器和車載充電器，圖騰柱PFC拓?fù)浠蛉嘤性辞岸苏髌?。為了提高功率密度并降低BOM成本，需要更高的開關(guān)頻率以減小電感器尺寸。高E(ON)損耗會(huì)阻止硅超結(jié)FET在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）中使用，即使是由于壽命過長而降低Q_RR，由于過度損耗和不良的恢復(fù)特性，它們也無法使用。所有SiC FET解決方案均具有出色的低Q_RR二極管，因此大大減少了E_on損耗。與開爾文源封裝（如TO247-4L，D2PAK-7L和DFN8x8）一起使用時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以將硬開關(guān)頻率提高2-3倍，這比硅產(chǎn)品高。它還有助于所有SiC FET元件具有較低的TCR，即，導(dǎo)通電阻隨溫度的增加較小。

表1：相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)

SiC在軟開關(guān)電路中的優(yōu)勢(shì)

在服務(wù)器電源和電信整流器以及EV車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器中，廣泛使用相移全橋和LLC電路進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換。通常，寬帶隙開關(guān)的價(jià)值，尤其是在這些應(yīng)用中基于SiC的FET的價(jià)值來自幾個(gè)主要特征。首先，SiC FET的Coss低，這允許導(dǎo)通時(shí)快速V_DS躍遷，然后允許使用高開關(guān)頻率或?qū)捿斎?輸出電壓范圍。其次，可以將軟導(dǎo)通開關(guān)的截止損耗估算為測(cè)得的硬開關(guān)關(guān)斷能量減去存儲(chǔ)在輸出電容中的能量，表示為E_OFF— E_OSS。如圖2所示，對(duì)于UF3C120040K4S等SiC FET，關(guān)斷能量非常低。第三，低R_DS（ON）值與高額定電壓相結(jié)合，使DC-DC轉(zhuǎn)換器可以在800V的電壓下工作。第四，SiC FET具有低反向恢復(fù)電荷和非常高的電壓壓擺率能力，范圍為100至200 V / ns。這實(shí)際上消除了dv / dt引起的故障，而無需降低載波壽命。最后，與SiC MOSFET和GaN HEMT的3至5 V相比，United SiC FET特別具有低的本體二極管壓降，通常僅為1.5V。隨著頻率的升高，體二極管導(dǎo)通的時(shí)間百分比增加，從而使空載時(shí)間內(nèi)二極管的導(dǎo)通損耗更加明顯。

圖3：各種SiC FET選項(xiàng)的有效關(guān)斷損耗（E OFF  – E OSS）。50A，800V裝置的損失在100μJ，該裝置僅在該電流在PFSB使用時(shí)產(chǎn)生關(guān)斷100kHz下的損失為10W。在較低的電流下，這些低損耗允許頻率高達(dá)500kHz

SiC對(duì)電動(dòng)汽車牽引逆變器的好處

硬開關(guān)中SiC FET的所有損耗優(yōu)勢(shì)都可以使EV牽引逆變器受益，但如果電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作頻率較低，則主要優(yōu)勢(shì)必須來自較低的傳導(dǎo)損耗。這已經(jīng)在圖1a和1b中顯示出來，這是由于每單位芯片面積的電阻較低，并且與IGBT不同，正向傳導(dǎo)中沒有拐點(diǎn)電壓，并且可能存在反向同步傳導(dǎo)。

EV應(yīng)用所需的開關(guān)的關(guān)鍵特性是承受各種類型的短路故障。這要求開關(guān)承受整個(gè)總線電壓（對(duì)于650V器件為400V，對(duì)于1200V器件為800V），同時(shí)在柵極完全導(dǎo)通時(shí)同時(shí)傳導(dǎo)高電流，持續(xù)2-6μs的時(shí)間，直到去飽和電路檢測(cè)到在施加0.5至2μs的消隱時(shí)間后出現(xiàn)短路情況。然后，驅(qū)動(dòng)程序?qū)㈤_關(guān)慢慢關(guān)閉。在此期間，開關(guān)可能會(huì)在幾微秒內(nèi)經(jīng)歷300-500°C的溫度上升，并且仍必須安全地關(guān)閉。此外，交換機(jī)最多應(yīng)處理100或1000個(gè)此類事件，而設(shè)備參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化。

盡管此特性是為IGBT提供的，但SiC MOSFET和GaN HEMT難以達(dá)到相同的水平。United SiC共源共柵FET具有獨(dú)特的能力，能夠以最小的芯片尺寸或?qū)娮枵壑詠戆踩靥幚碇貜?fù)性短路。這源于常導(dǎo)通JFET的固有特性，該器件是導(dǎo)電器件，沒有柵極氧化物退化，并且可以承受比SiC MOSFET高的溫度和電場(chǎng)峰值。此外，由于自加熱導(dǎo)致的通道電導(dǎo)的減小迅速減小了器件電流，減慢了加熱速率，并使器件在失效之前可以持續(xù)更長的時(shí)間。

SiC器件在這種模式下通常更堅(jiān)固，因?yàn)檫@些垂直器件會(huì)吸收其體積中的熱量，而GaN HEMT是在超薄二維電子氣中產(chǎn)生熱量的橫向器件。

SiC在線性模式應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

圖3顯示了SiC常開JFET，SiC MOSFET和Si MOSFET 的歸一化V_TH對(duì)溫度特性。顯然，只有常導(dǎo)通的SiC FET才能避免V_TH隨溫度下降。如果將某個(gè)設(shè)備用作電流源，或者甚至是在故意緩慢開關(guān)的固態(tài)斷路器中，則將時(shí)間花費(fèi)在低電流，低(V_GS— V_TH)的范圍內(nèi)。V_DS高會(huì)導(dǎo)致器件的V TH負(fù)溫度系數(shù)容易受電流絲化影響，并且在比預(yù)期低得多的電壓下失效。SiC JFET并非如此，這一事實(shí)已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，SiC JFET在形成電流源，電子負(fù)載等方面變得非常有用，在這種情況下，它們必須在這種低電流高電壓耗散狀態(tài)下偏置，而不會(huì)破壞到其額定擊穿電壓。

SiC對(duì)電路保護(hù)的好處

該V中的事實(shí)TH不隨溫度降低，以優(yōu)良的限流和SiC JFET的短路能力，和SiC JFET器件的耐受4X比破壞之前硅器件更高的能量耗散能力，使得這些器件在電路斷路器非常有用，浪涌電流限制器和負(fù)載開關(guān)。JFET 在給定的芯片尺寸下具有最低的可用R_DS（ON），具有較低的工作傳導(dǎo)損耗，而不會(huì)損害這些器件承受重復(fù)性過應(yīng)力事件的堅(jiān)固性。

柔性高壓FET的新穎方法

UnitedSiC展示了針對(duì)高壓FET的超級(jí)共源共柵方法，其中通過串聯(lián)連接許多正常導(dǎo)通的JFET與低壓Si MOSFET和獨(dú)特的偏置網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了非常高的電壓開關(guān)，從而產(chǎn)生了可用作3端子開關(guān)。針對(duì)200A，6500V半橋模塊的最新開發(fā)成果已經(jīng)由5級(jí)串聯(lián)的1700V JFET構(gòu)成。該器件可以通過低Qg的單個(gè)0至12V柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行切換–與串聯(lián)的IGBT或SiC MOSFET一樣，不需要單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)器。另一個(gè)針對(duì)低電流開關(guān)的演示將supercascode技術(shù)應(yīng)用于40kV單開關(guān)。由于較低電壓的JFET技術(shù)更成熟，并且原材料成本更低，這為設(shè)計(jì)人員提供了低成本解決方案的選擇，最高可達(dá)以前無法達(dá)到的電壓。另外，如果需要特定的電壓或電流類別，可以使用United SiC共源共柵和JFET器件輕松完成。

圖3：Si MOSFET，SiC JFET和Si MOSFET的V TH隨溫度的標(biāo)準(zhǔn)化變化情況。負(fù)斜率會(huì)導(dǎo)致| V_GS— V_TH | 低時(shí)的不穩(wěn)定工作。在高V_DS下SiC常導(dǎo)JFET 不存在此問題

結(jié)論

我們?cè)诒疚闹忻枋隽撕芏嗷A(chǔ)知識(shí)，簡要描述了SiC FET和基于SiC JFET的解決方案在各種應(yīng)用中看到的優(yōu)勢(shì)。SiC FET不僅可以改善高頻DC-DC和AC-DC應(yīng)用的設(shè)計(jì)，而且由于其寬的柵極驅(qū)動(dòng)范圍，描述了EV逆變器中UnitedSiC FET從低傳導(dǎo)損耗到強(qiáng)大的短路處理能力的優(yōu)勢(shì)。以及主動(dòng)模式下SiC JFET技術(shù)以及電路保護(hù)應(yīng)用（尤其是用于高電壓和大功率的應(yīng)用）以及使用較低電壓JFET構(gòu)建模塊構(gòu)建靈活的高電壓大電流開關(guān)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。