第四代SiC FET突破效能限制

作者 : Anup Bhalla,UnitedSiC工程副總裁

第三代SiC FET為許多現有與新興的應用領域提高了功率轉換效率。新發佈的第四代SiC FET建構在前代版本已經頗具吸引力的效能之上,透過瞄準用於400/500V匯流排電壓的750V額定元件,進一步提升了性能與效率,並適合更多應用…

人們現在普遍認可,寬能隙(WBG)電晶體就是高效率功率轉換的未來,它的導通損耗和開關損耗均低於其他可比較的矽IGBT或MOSFET。自從2008年寬能隙碳化矽(SiC) JFET問世和2011年SiC MOSFET問世以來,此類元件的產量、效能和成本都已經有所提高,從而有理由聲稱如果能充份挖掘SiC的好處,使用SiC的整體系統成本會低於使用Si。不過仍有一些不便之處,SiC JFET是常開元件,而SiC MOSFET系統需要特殊的閘極驅動條件才能發揮最佳效能。然而,由SiC JFET和低壓Si MOSFET以共源共閘結構組成的‘SiC FET’解决了這些困擾,並降低損耗,現已成為最佳解決方案。

第三代SiC FET滿足高長型市場需求

在功率相對高的應用中,第三代SiC FET是最佳化選擇,其中的低損耗650V、1200V和1700V元件正成為電動車(EV)、充電器、新能源、電路保護和IT基礎架構領域中實現高效功率轉換的關鍵助力。在這些電壓電平下,第三代SiC FET可以取代IGBT和市場現有的最佳矽「超結」MOSFET。透過「堆疊」結構,還可達到更高的電壓額定值,而並聯該元件則可實現更大的電流。在650V和1200V元件中,第三代SiC FET的RDS(ON)數值為同類最低,分別為7毫歐(mΩ)和9mΩ。

市場需求超越以往效能

在市場對於更高效率和功率密度以及更好的熱電設計裕度的無休止追求下,SiC FET在第三代基礎上又有所發展。透過進一步降低導通損耗和開關損耗可以實現這些目標,但是市場還想在不影響品質的前提下進一步降低成本。為了滿足此需求,新一代SiC FET的規格得到大幅改進,因而能够在將400V/500V匯流排用於軟/硬開關應用的龐大功率轉換市場中進一步普及,如電動車/太陽能轉換器、電池充電、PFC級、直流轉換和IT基礎架構交直流(AC/DC)轉換。

額定電壓為750V的最新「第四代」SiC FET可加速這一過程,與650V SiC MOSFET相較,它的運行電壓裕度要大得多,常用於上述應用中。為了提升功率轉換效率,該元件採用先進的晶圓削薄技術和單元密度最大化製程,以提高組織晶粒面積導通電阻(RDS·A)這一效能表徵(FoM)。該效能表徵結合一定的靜態損耗、給定晶圓體積的晶粒以及更低的反向恢復電荷(Qrr),其中晶粒會因體積更小和更低的相關元件電容而提高經濟性和降低動態損耗。在實際中,導通電阻的絕對值很低,因而電流額定值不會受到影響,且由於採用導熱性好的SiC基板和先進的銀燒結晶粒安裝技術,它能維持高效熱傳輸。在實現上述優點的同時,SiC FET仍具有可在0-12V下輕鬆進行閘極驅動的特徵。

第三代與第四代的數值比較

1顯示可以在500V匯流排上使用的SiC FET部份效能數據示例。它的RDS(ON)、Qrr和EOSS等直接影響效率的參數都明顯有優勢,其中的效能表徵RDS·A受導通電阻和相對晶粒面積數據影響。第四代元件的導通電阻隨溫度升高而升高的速度較快,但是與SiC MOSFET等可替代技術相較,其整體效率更高,可以輕鬆抵消這一缺點。在這種效應的幫助下,短路耐受時間從3µs延長到8µs,提升了兩倍多。從此處考慮的元件來看,本體二極體突波電流耐受性也提升了兩倍,達到了約1570A。

1:第三代與第四代SiC FET比較

在「圖騰柱PFC」級或標準雙電瓶逆變器等硬開關應用中,另一個效能表徵RDS(ON)xEOSS也是一個有用名額。在這些電路中,元件輸出電容COSS從高壓開始迅速放電,從而可能產生高瞬態功率損耗。可以將COSS和因此儲存的能量EOSS設計得非常低,但是這通常要以晶粒導通電阻和相應導通損耗高為代價,因而,效能表徵RDS(ON)·EOSS可以反映這種影響。2顯示SiC FET與一系列商用SiC MOSFET此一效能表徵在25°C和125°C下的比較,清楚表現了SiC FET的優勢。

圖2:比較SiC FET和部份市場現有的SiC MOSFET效能表徵RDS(ON)·EOSS

在硬開關應用中,任何本體二極體效應中的低反向恢復電荷對於維持高效也都很重要。1顯示,從第三代發展到第四代,該值降低了近一半,而3顯示其隨溫度而變的速度有多低。

3:第四代SiC FETQrr比第三代低,且在溫度變化時,它的變化很小

當發生元件反向導電或「第三象限」導電時,壓降也很重要,而採用SiC FET時的壓降值小於採用SiC MOSFET時。在SiC FET中,壓降是反向導電的JFET溝道電壓(約1.3V)和聯合封裝的低壓型元件Si MOSFET的體二極體「膝點」電壓(約0.7V)之和,大小為2V。而SiC MOSFET的壓降約為3V至5V,相應地,損耗也會更多。

LLC和PSFB轉換器等軟開關應用也能從使用SiC FET中受益。這些電路的峰值電流高,而低RDS(ON)值可以維持低導通損耗。此外,SiC FET的低輸出電容COSS(tr)值支援使用更高的開關頻率,因為可以儘量減小關閉延遲,從而避免有效占空比範圍的限制(4)。

4:低COSS(tr)實現了可用開關頻率最大化

在許多應用中,盡可能提升頻率都很重要,可以獲得更小的被動元件,尤其是磁性元件,帶來了附加好處。開關的RDS(ON)·COSS(tr)是軟開關的一個有用效能表徵,而5顯示的是典型的SiC FET與一系列市場現有的其他SiC MOSFET進行比較的情况。

5:比較SiC FET和市場現有的同類SiC MOSFET效能表徵RDS(ON)xCOSS(tr)

相較於同類型SiC MOSFET,第四代SiC FET的效率優勢十分明顯,而且這並未以易用性為代價。最新一代元件採用了ESD箝位二極體,仍可在0-12V閘極訊號和最大+/-20V下有效驅動。閘極閾值約為5V,不同於SiC MOSFET,它通常不受溫度影響。SiC FET閘極驅動相容傳統Si MOSFET或IGBT電平,便於將SiC FET用於舊式設計中,以提升效能。如果花時間最佳化這些舊設計中的閘極電阻和減少緩衝電路,則更換為SiC FET開關能獲得更高的效率和更低的成本。甚至閘極驅動電路中的損耗也會顯著降低,從IGBT電路中的數瓦降低至SiC FET電路中的接近為零。相較於舊式開關技術,SiC FET很高效,並不至於產生「密勒效應」(Miller Effect),從而避免了在汲極電壓升高時出現「偽」開啟現象。類似地,SiC FET還可搭配開爾文(Kelvin)源極連接提供,這可封鎖源極封裝連接電感與閘極驅動迴路相互影響,從而產生不想要的類似偽開啟效應。

6總結了第四代SiC FET與當前典型SiC MOSFET相較的優點,顯示無論高溫還是低溫,它在所有領域均有極高的效能。

6:第四代SiC FETSiC MOSFET的比較及其優勢

由於有望實現更高的效率、更高的功率密度和更低的系統成本,對於400V或500V匯流排電壓的應用而言,第四代750V SiC FET是十分具有吸引力的選擇,相較於常用的其他技術之650V額定值元件,可提供的裕度更高。該元件採用標準化封裝並可選擇採用Kelvin連接,還有先進的散熱設計,因而可以輕鬆實施於傳統和新興應用的新舊功率轉換產品中。

(參考原文:Breakthrough Performance of Gen 4 SiC FETs,by Anup Bhalla)

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