中国抄板网,抄板,pcb抄板

专注重大装备的PCB抄板综合服务门户网站!

当前位置:首页 > 技术资讯 > 市场分析

将碳化硅器件用于开关电源转换器?这些要注意

更新时间:2021-05-07 11:21:00点击次数:279次

行业效率标准和效率技术需求的双重作用,催生了对于构建更高效、更紧凑的电源解决方案的半导体产品的巨大需求。宽带隙(WBG)技术器件应运而生, 如 SiC MOSFET(碳化硅场效应管)能够提供更低的寄生参数,满足开关电源(SMPS)的设计要求。而650V 碳化硅场效应管器件推出之后,为1200V 碳化硅场效应器件提供补充,进一步拓宽应用范围。碳化硅 MOSFET 越来越多地被用于千瓦级功率水平的应用,包括通信电源、服务器电源、快速增长的电动汽车电池充电器市场等。

 

碳化硅MOSFET之所以有如此大的吸引力,在于它们具有比硅器件更出色的可靠性,在持续使用内部体二极管的连续导通模式(CCM)功率因数校正(PFC)设计, 例如图腾功率因数校正器的硬开关拓扑中,碳化硅MOSFET可以得到充分利用。此外,碳化硅 MOSFET 也可应用于更高的开关频率,从而实现体积更小、更加紧凑的电源转换器设计。

 

“世界上没有免费的午餐”,尽管在内部体二极管和寄生参数方面,碳化硅MOSFET比硅 MOSFET 具有更多的优势,但在某些方面参数其性能比较差,这就要求设计人员花时间充分了解碳化硅MOSFET的特性和功能,并考虑如何向新拓扑架构过渡。

 

1.碳化硅MOSFET 并不是简单地替换硅MOSFET。如果这样使用碳化硅 MOSFET ,可能会导致效率下降。例如,碳化硅CoolSiC™ 器件的体二极管正向电压(VF)是硅CoolMOS™器件的四倍。但如果不对电路进行相应调整,谐振LLC 转换器上在轻负载时效率可能下降多达 0.5%。

 

2.设计人员还应注意,如果要在CCM 图腾PFC设计中获得最高的峰值效率,则必须通过打开碳化硅MOSFET沟道而不是只通过体二极管进行升压。

 

3.另一个要考虑的因素是器件结壳热阻,这方面 CoolMOS™稍有优势。由于CoolSiC™芯片尺寸较小,在相同封装情况下,CoolSiC™热阻为1.0K/W,而 CoolMOS™ 则为0.8K/W,但实验证明这些热阻的差异在实际设计中可以忽略。

 

器件参数导通电阻 RDS(on)可以体现出碳化硅MOSFET 的优势之一。在芯片温度为100°C 时,CoolSiC™有较低的倍增系数(multiplication factor,K),约为1.13,而CoolMOS™则1.67,这意味着在芯片温度100°C 时的工作温度下,一个84mΩ的CoolSiC™器件具有与57mΩ CoolMOS™器件相同的RDS(on)。这也表明,仅仅比较数据手册中硅MOSFET和碳化硅 MOSFET的RDS(on)并不能反映实际导通损耗的问题。

 

在芯片温度低范围,CoolSiC™由于其较低的斜率倍增系数和对温度的低依赖性,具有更高的击穿电压V(BR)DSS,因此比硅器件具有更大优势,这对于那些位于室外或需要在低温环境中启动的设备非常有帮助。


 

图 1:在芯片温度25°C工作温度两种器件导通电阻基本相当, 温度对CoolSiC™RDS(on)的影响比CoolMOS™要小

 

与CoolMOS™驱动设计相同,CoolSiC™ MOSFET也可以使用EiceDRIVER™驱动集成电路。但是应注意的是,由于传输特性的差异(ID与VGS),CoolSiC™器件的栅极电压(VGS)应以18V 驱动,而不是CoolMOS™使用的典型值12V。这样才可提供 CoolSiC™数据表中定义的RDS(on),如驱动CoolSiC™电压限制为 15V 时它的导通电阻值高出 18%。如果设计CoolSiC™电路时允许选择新的驱动集成电路器,则值得考虑具有较高欠压锁定(约 13V)的驱动集成电路,以确保CoolSiC™ 和系统可以在任何异常工作条件下安全运行。

 

碳化硅 MOSFET 的另一个优点,是在25°C至150°C 温度之间,传输特性的改变明显小于硅MOSFET。

 

图 2:在 25°C(上)和150°C(下)的传输特性曲线表明,碳化硅MOSFET受到的影响明显小于硅 MOSFET

 

需要注意的一个问题,是要确保不允许栅极 - 源极关断电压(VGS)变得负值过大。理想情况下,不应施加负的关断电压,所以在实际设计电路时,设计工程师应在原型制作时进行检查,将电路电压振荡降低,不要让振荡电压影响栅极-源极关断电压变成负值。当VGS低于 -2V,且持续时间超过 15ns,可能出现栅极阈值电压(VGS(th))漂移,导致RDS(on)增大,以及整个应用生命周期内系统效率降低。

 

负VGS出现的一个原因是由关断时驱动集成电路和碳化硅MOSFET之间电路板寄生电感制造的栅源极电压振荡,这振荡是由于碳化硅MOSFET关断时电路板寄生电感有高速关断电流(di/dt)通过所致。第二个常见原因是导通时由电容驱动的栅极 - 源极电压,其源于半桥配置中第二个碳化硅 MOSFET 的高 dv/dt 开关。

 

硅MOSFET设计中在此类问题一般可以通过栅极驱动器和硅 MOSFET 栅极之间插入一个高阻值电阻,或找到一种减慢di/dt 和dv/dt的方式来解决。不幸的是,这些方法会导致开关损耗增加和系统效率降低。而在使用碳化硅MOSFET时,只需在栅极和源极之间增加一个二极管电压钳位即可解决这一难题。

 

在碳化硅MOSFET的设计中,如果该振荡问题是纯电感性,降低振荡的方法是将碳化硅 MOSFET 源极分为电源极和驱动器源极,钳位二极管连接碳化硅 MOSFET 栅极和驱动器源极之间。当然首选使用开尔文源极(Kelvin source)封装的碳化硅 MOSFET,特别在大电流应用中。例如,在 3.3kW 连续导通模式(CCM)图腾PFC中,关断电流可以达到25A至30A。相比不使用开尔文源极封装的相同 RDS(on)的TO-247封装碳化硅 MOSFET ,CoolSiC™ IMZA65R048M1H的开通损耗 EON能够降低三倍。

 

 

图 3:为避免碳化硅 MOSFET 的栅极电压变为负值,应考虑使用二极管钳位、或独立的端和开尔文源极

 

在漏极-源极电压VDS高50V时,CoolSiC™ MOSFET 输出电容COSS也比相对应的CoolMOS™ MOSFET更高,CoolSiC™ MOSFET相对较大输出电容COSS ,实际上可以降低关闭期间的过冲水平。对于这两种器件技术,峰值VDS, max 设置为数据表极限的80%。CoolMOS™需要一个高栅极电阻来满足要求,这种方法导致上面已经提到的效率降低,而CoolSiC™设计则可以不使用这种电阻方案,从而进一步简化了设计和布局以及它们的应用场景。这种好处取决于设计人员能否实现降低电路板的寄生参数。

 

碳化硅MOSFETQOSS特性也有利于硬开关和谐振开关拓扑架构。与硅MOSFET相比,碳化硅 MOSFET 的电荷QOSS降低了75%,因此所需的放电时间更少,降低CCM图腾柱PFC的Eon 损耗。虽然CoolMOS™CFD/CFD7系列的Qrr比上一代 CoolMOS™ CFD 改进了十倍,但 CoolSiC™的 Qrr 参数再比 CoolMOS™ CFD/CFD7的Qrr又降低了五到十倍。这意味着,通过使用 48mΩCoolSiC™器件,3.3kW CCM图腾 PFC可以实现99%以上的效率,而在Dual Boost PFC设计中使用 CoolMOS™的最佳效率只能达到98.85%的峰值。

 

尽管碳化硅MOSFET的成本较高,但如果比较两种设计方法的物料清单(BOM),碳化硅 MOSFETSiC解决方案的物料清单更少,可提供更具成本竞争力且效率高达 99%的解决方案。

 

图 4:即便是107mΩ的CoolSiC™ CCM 图腾PFC其效率也接近99%,多数情况下性能都可超过最佳的 CoolMOS™ Dual Boost PFC方案

 

多年来,尽管硅 MOSFET 的技术进步使其在寄生参数方面取得了显著改善,但硅的基本物理学特性仍然在阻碍着其性能的进一步提高,限制了创新且又简单的拓扑结构应用,也阻碍了可持续、绿色、高效率的拓扑发展。

 

碳化硅MOSFET技术在应用中同样也存在挑战,并非碳化硅 MOSFET 的所有寄生特性都优于硅 MOSFET。但是这种技术确实能够提供多种优势,加上其在硬开关应用中的牢固性,可支持更高效的电源转换应用。650V CoolSiC™系列的推出进一步强化上述优势,使碳化硅 MOSFET技术进一步提高功率转换效率的同时,在经济方面也更加切实可行。

联系电话:0755-83035861

热门文章

三部门发布关于支持集成电路产业和软件产业发展进口税收政策的通知
PCB抄板改板将助中国领跑3D打印
创新是PCB行业持续发展推动力
未来几年中国PCB市场将迎来更多机遇
打破合资车企垄断 PCB抄板创新发力

企业推荐

聚芯龙人计算机
佳创科技
龙芯世纪科技有限公司
龙人集团有限公司
世纪芯集成电路有限公司