第四代SiC MOSFET 突破电力电子领域边界

日期:2022-05-12 来源:星辰工业电子简讯阅读:227
核心提示:碳化硅(SiC)本身以及由此产生的MOSFET等半导体的生产比硅的要求要高得多。然而,尽管存在最初的技术障碍,SiCMOSFET已经在市场
 碳化硅(SiC)本身以及由此产生的MOSFET等半导体的生产比硅的要求要高得多。然而,尽管存在最初的技术障碍,SiCMOSFET已经在市场上确立了自己作为硅基IGBT和MOSFET的高性能替代品的地位。它们用于各种高效率或体积起主要作用的电力电子电路中。典型应用包括用于车载开关电源、光伏系统和电机驱动器。特别是在对功率半导体和性能有不断提高要求及巨大需求的电动汽车中。
 
作为 SiC MOSFET 技术的市场领导者之一,Rohm 推出了新一代器件,以满足不断增长的要求。但这还不是全部:该公司还扩大了生产设施。随着位于日本筑后(Chikugo)阿波罗工厂的新半导体工厂以及生产碳化硅原料晶圆的纽伦堡子公司SiCrystal的扩建,Rohm正在显著提高其生产能力。此外,晶圆直径从100毫米增加到150毫米。通过这些前瞻性的步骤,公司针对未来需求做好准备,以便能够为技术进步提供坚实的基础。
 
新一代SiC MOSFET
 
近年来,SiC MOSFET技术不断发展,早年出现的障碍早已被克服。2015年,Rohm成为第一家在市场上推出采用沟槽技术SiC MOSFET 的公司,此后,其进一步发展出第四代SiC MOSFET。
 
与以前的技术相比,这显示出明显的优势:增加的电流密度导致芯片更小,因为导通电阻RDS(on)比具有相同芯片面积的第三代小40%。此外,Rohm 还调整了元件中的寄生电容,使其开关速度更快,损耗更小。
 
表一:第四代750V级RohmSiC MOSFET。((*)规划中符合汽车标准)
 
采用该技术规划的产品涵盖范围广泛- 从具有金属化层的各种裸芯片到经典TO封装的分立元件,再到用于电动汽车的现代紧凑型模块。表1和表2概述了新开发的产品。
 
表二:第四代1200V级RohmSiC MOSFET。((*)规划中符合汽车标准)
 
该列表中的器件涵盖尽可能多的应用- 包括工业和汽车行业。列出的器件涉及用于通孔或表面安装的分立元件。其中,带有开尔文源连接引脚(TO-247-4L,TO-263-7L)的封装比带有三个连接引脚的TO-247N封装更具优势,因为MOSFET通过附加辅助连接引脚可进行最优控制,从而降低开关损耗。TO-263-7L 封装是自动化安装SMD器件的理想选择,该器件件还具有较少的寄生电感。如果需要延长封装中的爬电距离,则TO-247-4L封装满足 IEC60664-1规定的爬电距离要求,而无需采取进一步的措施,例如灌封。
 
可靠短路检测
 
降低导通电阻的限制因素之一是MOSFET的短路电阻。具有较小的芯片尺寸值意味着在发生短路时元件的负荷会更重,除非在芯片级采取对策,否则较难处理。在第四代产品中,半导体结构经过了修改,使器件件具有足够的短路电阻,从而为市售的具有去饱和功能的快速栅极驱动器IC提供了足够的时间来检测短路并安全关断。
 
图 1:SCT4036KR型SiC MOSFET可在短路时使用栅极驱动器BM6112FV-C的集成退饱和功能在不到2μs的时间内安全关断。(图片来源:Rohm)
 
图1显示了SCT4036KR型SiC MOSFET在短路过程中的电流和电压曲线。在这种情况下,使用了栅极驱动器芯片BM6112FV-C,它通过漏源电压(经典的退饱和法)提供短路检测。在这种情况下,检测到短路的时间是860 ns。总体而言,短路持续约1.6 μs,直到MOSFET完全关断,而不会对元件造成损坏。
 
新器件评估套件
 
在充分利用新技术方面,新技术也带来了新的挑战。因此,罗姆(Rohm)提供了合适的评估套件(EVK)。由于半桥是电力电子中最常见的拓扑结构之一,因此已经开发了两种EVK评估套件。其包括 MOSFET、栅极控制、母线电容器和连接器。
 
一种EVK设计用于采用通孔封装的 MOSFET(TO-247-4L 和TO-247N 的型号),另一种用于 SMT 封装(图2)。布局和元件选择适合作为进一步设计的参考。对于快速开关元件,必须特别注意确保布局、栅极控制和支撑电容器得到最佳选择和布置。否则,电路的功率会降低。
 
EVK提供了将开关用作降压和升压转换器或单相逆变器的可能性。当然,也可以仅在脉冲模式下工作,以便评估器件在特定条件下的动态行为。栅极控制是通过一个简单的ICBM61x41RFV-C实现的,该IC提供隔离、密勒钳位和UVLO功能。辅助电源有两种不同的方案:基于BD7F200EFJ-BE2(THT-EVK)的每个开关使用单独的反向转换器,以及基于BU4S584G2和BD62120AEFJ(SMD-EVK)的自振荡半桥和变压器,带有单独的次级绕组。在两个EVK中,开关的电流曲线都可以使用罗氏线圈或同轴分流电阻器进行检测。
 
高效运行
 
 
 
图3:SCT4062KW7在不同栅源电压U_GS及U_in = 800V、U_out= 400V、R_G = 5.1Ω、f_sw = 45 kHz、无间隙操作)的效率。(图片来源:Rohm)
 
Rohm 使用SMD开关的 EVK 作为降压控制器来研究MOSFET的性能。本研究的目的是确定当SCT4062KW7 MOSFET在45kHz的开关频率下工作时可以达到的效率。输入电压为800V,输出电压为400V。DC-DC转换器在不同输出功率下的效率曲线如图3所示。可以看出,2.5 kW时的效率略低于99.0%。
 
测试了两种版本:在第一种配置中,使用18V的栅源电压 - 如数据手册中所建议的那样。此外,还对15V的电压进行了重复测量。在曲线的基础上,可以看出两种工作模式几乎没有区别。只有测得的外壳温度在栅源电压为15V时略高。这意味着新一代SiC MOSFET的使用更加灵活,因为它不一定像以前那样需要+18V控制。
 
总结
 
市场对碳化硅MOSFET的接受度越来越高,这表明这些元件是电力电子技术发展的重要组成部分。有了第四代器件,Rohm希望为这一趋势做出贡献。由于这些MOSFET性能的改进,现在可以实现更高的效率并实现更紧凑的设计。此外,与上一代产品相比,最新一代产品在控制电压选择方面提供了更大的灵活性。
 
为了简化这项技术的引入,Rohm提供了各种评估套件。其中包含的设计对于想要使用这些器件设计电路的开发人员来说也是一个很好的基础。对于开发人员来说,短路保护也不应该是问题,因为这可以通过普通的栅极驱动器IC来实现。
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