碳化硅MOSFET

基于硅 (Si) 的電力電子產(chǎn)品長(zhǎng)期以來(lái)一直主導(dǎo)著電力電子行業(yè)。由于其重要的優(yōu)勢(shì)，碳化硅(SiC)近年來(lái)在市場(chǎng)上獲得了很大的空間。隨著新材料的應(yīng)用，電子開(kāi)關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電氣特性得到了顯著改善。理想的開(kāi)關(guān)具有以下特點(diǎn)：

· 具有無(wú)限切換速度;

· 可以通過(guò)大電流而沒(méi)有電壓降;

· 可以處理高壓;

· 其電流通過(guò)通道(通常為DS)電阻為零;

· 它不會(huì)在兩個(gè)邏輯狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換中造成能量損失。

硅不能提供卓越的性能，用這種材料制成的設(shè)備不會(huì)表現(xiàn)出高效率。碳化硅MOSFET結(jié)合了幾乎理想開(kāi)關(guān)的所有特性，讓您可以使用性能非常高的設(shè)備進(jìn)行操作。它的主要優(yōu)點(diǎn)包括提高效率和可靠性、減少熱問(wèn)題以及減少物理占用空間。由于開(kāi)關(guān)損耗降低，最終系統(tǒng)可以在較低溫度下工作，從而實(shí)現(xiàn)更輕、更經(jīng)濟(jì)的電路，因?yàn)? SiC 的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于硅的熱導(dǎo)率。換言之，一個(gè)低功率的 SiC 系統(tǒng)可以替代一個(gè)具有相同性能的高功率硅系統(tǒng)。此外，開(kāi)關(guān)頻率可以顯著提高，從而可以大大減小電路的尺寸。SiC 器件可以在 175°C 的溫度下工作。SiC Mosfet 的特性不會(huì)因溫度和電流而變化很大(然而，碰巧的是，與硅)。由于所有這些優(yōu)勢(shì)，SiC Mosfet 可用于各種應(yīng)用：

預(yù)計(jì)使用高壓直流電的能量傳輸;

電動(dòng)汽車，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電池充電電路;

鐵路部門(mén)，用于驅(qū)動(dòng)功率為數(shù)百萬(wàn)瓦的電機(jī);

光伏領(lǐng)域：用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載和為蓄電池充電。

通過(guò) PWM 信號(hào)激活和停用 SiC MOSFET 的典型用途。使用的 SiC MOSFET 為 UF3C065080T3S 型號(hào)，具有以下基本特性：

· 封裝：TO-220-3L;

· 漏源電壓(VDS)：650 V;

· 柵源電壓 (VGS)：-25° C 至 +25° C;

· 連續(xù)漏極電流 (ID)：31 A;

· 脈沖漏極電流 (IDM)：65 A;

· 功耗(Ptot)：190 W;

· 最高結(jié)溫 (Tjmax)：175° C。

該示例將其與 BJT 功率晶體管進(jìn)行比較。當(dāng)兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)被激活時(shí)，大約 4.8 A 的電流通過(guò)負(fù)載。驅(qū)動(dòng)頻率相當(dāng)高，約為 100 kHz。有趣的是，在每個(gè)信號(hào)周期，SiC MOSFET 的激活僅發(fā)生在 30 納秒內(nèi)，而 BJT 的飽和發(fā)生在大約 500 納秒內(nèi)，這對(duì)于此類應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的時(shí)間。正是由于這個(gè)原因，BJT 在高頻電源解決方案中被拋棄了。該器件的高速允許其低功耗。事實(shí)上，采用 SiC MOSFET 的解決方案平均耗散 1 瓦的功率，而采用 BJT 的解決方案平均耗散 12 瓦的功率。

GaN MOSFET

氮化鎵是一種具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料，其最重要的特性是能夠在高溫下處理非常高的電壓。這些類型的器件可確保在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的效率和更少的開(kāi)關(guān)損耗。氮化鎵提供更好的導(dǎo)熱性、更高的開(kāi)關(guān)速度，并允許構(gòu)建比傳統(tǒng)硅器件更小的物理器件。換句話說(shuō)，在充電和放電循環(huán)期間的功率損耗很低，它們占用的 PCB 空間也更少。使用GaN MOSFET，它們提高了最終解決方案的能源效率和可靠性。GaN 組件有望從根本上改變電力電子領(lǐng)域，使用新型半導(dǎo)體材料制成的電子組件的成本和可靠性越來(lái)越接近硅組件。GaN 器件的開(kāi)啟和關(guān)閉速度比其他類型的電子開(kāi)關(guān)快得多。事實(shí)上，它的平均開(kāi)啟時(shí)間比傳統(tǒng) MOSFET 短約 4 或 5 倍。GaN 器件需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)確保它們完美地開(kāi)啟和關(guān)閉。要導(dǎo)引 GaN 器件，始終建議為柵極端子提供其最大容許電壓。這樣一來(lái)，ON狀態(tài)就一目了然了。采用 GaN 器件的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是顯著降低 Rds (on)，或器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的內(nèi)阻。此外，與硅相比，大帶隙提高了在更高溫度下的性能，以至于近年來(lái)使用 GaN MOSFET 的應(yīng)用數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。以下示例涉及 EPC2032 模型，該樣本配備了一些允許焊接的突起并具有非常相關(guān)的特性，包括：

· 漏源電壓(VDS，連續(xù))：100 V;

· 漏極到源極電壓(在 150?C 時(shí)高達(dá) 10,000 個(gè) 5 ms 脈沖)：120 V;

· 持續(xù)電流 (ID)：48 A;

· 脈沖電流：340 A;

· 漏源導(dǎo)通電阻 (Rds (on) )：3 毫歐;

· 柵源電壓 (VGS)：-4 V 至 6 V;

· 非常高的開(kāi)關(guān)頻率;

· 工作溫度 (TJ)：-40° C 至 +150° C。

第一個(gè)觀察結(jié)果涉及根據(jù)圖 4 的靜態(tài)狀態(tài)下的應(yīng)用方案確定器件的 Rds (on)。在靜態(tài)狀態(tài)下，該電阻極低(僅 0.002853 歐姆)并且允許幾乎零耗散在示例中，電子開(kāi)關(guān)僅等于 1.29 W，相對(duì)于 1997 W 的負(fù)載，等效效率為 99.94%。

溫度總是會(huì)影響任何電子元件。幸運(yùn)的是，GaN 器件受熱變化的影響不大，雖然 Rds 相對(duì)可變，但電路的效率始終很高。圖中的兩張圖分別顯示了 Rds 參數(shù)隨電壓 Vgs和結(jié)溫變化的趨勢(shì)。Rds (on)的溫度系數(shù)為正，即隨溫度升高而增加。

結(jié)論

在本文中，我們非常廣泛地研究了電力電子的一些重要部分。市場(chǎng)上還有其他組件結(jié)合了先前所見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)并消除了它們的一些負(fù)面影響。其中我們可以包括例如 GTO 和 GCT，它們是可以承受許多 kV 電壓和幾 kA 電流的特殊晶閘管。它們可以通過(guò)門(mén)終端打開(kāi)和關(guān)閉。具有大帶隙的材料，例如GaN 和 SiC，現(xiàn)在可以降低設(shè)計(jì)成本，同時(shí)減小電源解決方案的尺寸。材料的帶隙取決于其原子之間化學(xué)鍵的強(qiáng)度。而新材料使設(shè)計(jì)人員能夠從各個(gè)角度在系統(tǒng)性能方面取得非常重要的成果。