電力設(shè)計是由市場需求驅(qū)動的，以提高效率和生產(chǎn)力，同時符合法規(guī)要求。最重要的最終用戶需求幾乎總是更小、更輕、更高效的系統(tǒng)，這得益于功率半導(dǎo)體設(shè)計的重大創(chuàng)新。在硅 MOSFET 和 IGBT 長期以來一直在功率半導(dǎo)體中占據(jù)主導(dǎo)地位的地方，寬帶隙 (WBG) 技術(shù)，尤其是碳化硅 (SiC) 技術(shù)的最新進(jìn)展正在為電力電子系統(tǒng)的設(shè)計人員帶來額外的好處，提高效率和更高的電壓能力，從而減少形式因素。

本文簡要回顧了 SiC MOSFET 的優(yōu)勢，并討論了 SiC 器件的關(guān)鍵特性，以指導(dǎo)基于應(yīng)用需求的器件選擇。最后，討論了兩種常見的電力電子應(yīng)用，以展示這些設(shè)備如何為設(shè)計人員帶來價值。

從硅到 SiC

當(dāng)今最常見的功率半導(dǎo)體是硅基 MOSFET、功率二極管、晶閘管和 IGBT。硅 MOSFET 主導(dǎo)低于 650V 的低壓市場，而 IGBT 主導(dǎo)高于 650V 的高壓市場。這些器件具有易于驅(qū)動的柵極、快速的開關(guān)速度、低導(dǎo)通損耗以及并行操作的能力。這已導(dǎo)致廣泛采用各種應(yīng)用，包括便攜式設(shè)備、移動電話、筆記本電腦、無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、電機(jī)驅(qū)動器和太陽能等可再生能源技術(shù)。

盡管硅 MOSFET 和 IGBT 仍將是許多電源應(yīng)用的熱門選擇，但 WBG 材料的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)促成了一系列新的電源應(yīng)用。與硅相比，SiC 尤其具有更高的熱導(dǎo)率(120-270 W/mK)和更高的電流密度等優(yōu)點。此外，它的低開關(guān)損耗以及在高工作頻率下工作的能力，使設(shè)計能夠以更高的效率工作，同時減小相應(yīng)磁性元件的尺寸和重量。

如果實施得當(dāng)，SiC 器件可以為設(shè)計人員提供重要優(yōu)勢。緊湊型 SiC 組件可減小整體系統(tǒng)尺寸，這在電動汽車 (EV) 等對空間和重量敏感的應(yīng)用中非常有用。然而，為了實現(xiàn) SiC MOSFET 的潛在優(yōu)勢，所選器件必須與應(yīng)用的特定需求相匹配，并且必須遵循仔細(xì)的設(shè)計導(dǎo)入指南。

設(shè)備設(shè)計注意事項

SiC MOSFET 容易受到寄生導(dǎo)通 (PTO) 事件的影響，這可能會在某些條件下導(dǎo)致動態(tài)損耗增加，甚至可能導(dǎo)致超出器件的安全工作條件。設(shè)計人員應(yīng)了解任何選定的設(shè)備如何受到 PTO 影響以及如何防止這些影響。

PTO 的一個主要原因是米勒電容 C dg，它在開關(guān)事件期間將漏極電壓耦合到柵極。當(dāng)漏極電壓升高時，C dg電容充電，電流也對 C gs充電。如果 V gs達(dá)到柵極閾值，則器件可能會意外開啟，并導(dǎo)致與互補(bǔ)器件發(fā)生短暫的“擊穿”事件。這會在設(shè)備中產(chǎn)生額外的功率損耗。擊穿的嚴(yán)重程度以及相關(guān)損耗的大小與 MOSFET 的工作條件和相關(guān)電路的設(shè)計有關(guān)。關(guān)鍵因素包括總線電壓、開關(guān)速度 (dv/dt)、PCB 布局和柵極電阻。

設(shè)計人員可以通過考慮電容比 C dg /(C dg +C gs ) 和柵極閾值電壓 V gs,th來估計 MOSFET 對 PTO 事件的敏感性。顯示了當(dāng)前市場上選擇的 SiC MOSFET 的比較，其中每個器件的感應(yīng)柵極電壓計算為 V gs =ΔV ds C dg /(C dg +C gs )，工作總線電壓為 600V。

本練習(xí)說明了米勒電容如何導(dǎo)致感應(yīng)柵極電壓超過器件的Vgs,th，從而產(chǎn)生 PTO。還突出顯示，包括英飛凌的CoolSiC MOSFET 在內(nèi)的兩個采樣器件具有固有的 PTO 抗擾度，因為這些器件的柵極閾值高于計算的潛在感應(yīng)柵極電壓。

盡管可以使用這種方法估計設(shè)備對 PTO 影響的敏感性，但這些影響本質(zhì)上是動態(tài)的，并且很大程度上取決于應(yīng)用程序的具體情況。顯示了一個硬件設(shè)置——使用EVAL-IGBT-1200V-247評估板——來全面表征 SiC MOSFET 器件。

表征練習(xí)的目的是找到 S2 的關(guān)斷柵極電阻的最低值，該值仍可避免寄生導(dǎo)通。在不同負(fù)載電流、溫度和 dv/dt 水平下對高端開關(guān) S1 進(jìn)行了測試。

顯示了 CoolSiC MOSFET 測試的結(jié)果。隨著開關(guān)速率和溫度的升高，通過降低關(guān)斷柵極電阻值來防止 PTO。對于該器件，即使在 50 V/ns 的電壓斜率和 175oC 的溫度下，0V 的關(guān)斷柵極電壓也足以防止 PTO，從而簡化了柵極驅(qū)動電路的設(shè)計。

相同的評估硬件可用于比較其他設(shè)備的特性。突出顯示了可實現(xiàn)的最小開通損耗以及 SiC MOSFET 器件之間相關(guān)的 dv/dt 開關(guān)瞬態(tài)。

碳化硅 MOSFET 應(yīng)用

快速充電

快速直流電池充電是不斷增長的電動汽車市場的關(guān)鍵推動力，可實現(xiàn)較高的每次充電比。最先進(jìn)的電池充電器在 DC-DC 級中使用軟開關(guān) LLC 拓?fù)?圖 5a)。使用硅 MOSFET 時，只有使用 650V 額定器件才能實現(xiàn)足夠低的動態(tài)損耗，因此需要兩個級聯(lián) LLC 全橋來支持 800V 直流鏈路電壓。

通過使用額定電壓為 1,200V 的 SiC MOSFET，包括驅(qū)動器 IC 在內(nèi)的開關(guān)位置數(shù)量減半。使用這種 SiC MOSFET 解決方案，在每個導(dǎo)通狀態(tài)下僅打開兩個開關(guān)位置，而 650V 解決方案中的四個開關(guān)位置。這導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗降低了 50%，同時 SiC MOSFET 的較小輸出電容也降低了關(guān)斷損耗。因此，使用 SiC MOSFET 可將效率提高 1% 以上，對于雙向充電而言，這相當(dāng)于節(jié)省 2% 以上的電池電量。此外，SiC MOSFET 的部件數(shù)量減少了 50%，外形尺寸更小，從而減少了所需的 PCB 面積。

1,200V SiC MOSFET 的整體低開關(guān)損耗與其內(nèi)部體二極管的特性相結(jié)合，還支持傳統(tǒng)的硬開關(guān)解決方案，例如雙有源電橋。顯著減少控制工作、降低整體復(fù)雜性和減少部件數(shù)量使此類解決方案越來越有吸引力。

伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是用于工業(yè)自動化和機(jī)器人系統(tǒng)的高性能電機(jī)驅(qū)動器。高性能和緊湊型 DC-AC 電源轉(zhuǎn)換器是這些驅(qū)動系統(tǒng)的核心，與基于 IGBT 的設(shè)計相比，SiC MOSFET 可以顯著提高驅(qū)動器的性能。

SiC MOSFET 支持更高的開關(guān)頻率，從而實現(xiàn)高電流環(huán)路帶寬并提高加速、減速和位置控制的動態(tài)性能。同時，它們提供了將總損失降低多達(dá) 80% 的潛力。這些降低的大部分是由于開關(guān)損耗降低了 50%，即使 SiC MOSFET 被減慢到 5 V/ns 的 dv/dt 水平以匹配 IGBT 開關(guān)速度以限制 EMI 并滿足電機(jī)絕緣規(guī)范。

這些損耗降低提供了一些設(shè)計改進(jìn)選項，例如增加驅(qū)動器額定電流、過載能力或尺寸，以及減少散熱器和風(fēng)扇。它們對于驅(qū)動器集成到電機(jī)中并且冷卻非常有限的系統(tǒng)特別有用。

謹(jǐn)慎的設(shè)備選擇

SiC MOSFET 的低導(dǎo)通和開關(guān)損耗是設(shè)計工程師在更高電壓下需要高工作頻率的關(guān)鍵因素。這為快速電池充電器和伺服驅(qū)動器等電力電子應(yīng)用的設(shè)計人員帶來了許多優(yōu)勢。然而，碳化硅 MOSFET 可能會因 PTO 事件而增加損耗，因此需要仔細(xì)選擇器件和驅(qū)動電路設(shè)計以減輕這些影響。器件對 PTO 的敏感性可以從數(shù)據(jù)表參數(shù)估計，但可以使用合適的評估板進(jìn)行更全面的表征。