在開關電源轉換器中,如何充分利用SiC器件的性能優勢?

2020-12-15 電子工程專輯

簡介

在過去的幾十年中，半導體行業已經採取了許多措施來改善基於矽MOSFET （parasitic parameters），以滿足開關轉換器(開關電源)設計人員的需求。行業效率標準以及市場對效率技術需求的雙重作用，導致了對於可用於構建更高效和更緊湊電源解決方案的半導體產品擁有巨大的需求。這個需求寬帶隙（WBG）技術器件應運而生, 如碳化矽場效應管(SiC MOSFET) 。它們能夠提供設計人員要求的更低的寄生參數滿足開關電源（SMPS）的設計要求。650V 碳化矽場效應管器件在推出之後，可以補充之前只有1200V碳化矽場效應器件設計需求，碳化矽場效應管(SiC MOSFET)由於能夠實現矽場效應管(Si MOSFET)以前從未考慮過的應用而變得更具有吸引力。T82EETC-電子工程專輯

碳化矽MOSFET越來越多用於千瓦級功率水平應用，涵蓋如通電源，和伺服器電源，和快速增長的電動汽車電池充電器市場等領域。碳化矽MOSFET之所以有如此的大吸引力，在於與它們具有比矽器件更出眾的可靠性，在持續使用內部體二極體的連續導通模式（CCM）功率因數校正（PFC）設計, 例如圖騰功率因子校正器的硬開關拓撲中，碳化矽MOSFET可以得到充分利用。此外，碳化矽MOSFET也可應用更高的開關頻率，因而可以實現體積更小，更加緊湊的電源轉換器設計。T82EETC-電子工程專輯

沒有免費的午餐

當然，世上是沒有免費午餐的，在內部體二極體和寄生參數方面，碳化矽MOSFET比矽 MOSFET具有更多的優勢，但代價是在某些方面參數碳化矽MOSFET性能比較差。這就要求設計人員需要花時間充分了解碳化矽MOSFET的特性和功能，並考慮如何向新拓撲架構過渡。有一點非常明顯：碳化矽MOSFET並不是簡單地替換矽MOSFET，如果這樣使用碳化矽MOSFET可能會導致效率下降而不是升高。T82EETC-電子工程專輯

例如，碳化矽CoolSiC器件的體二極體正向電壓（VF）是矽CoolMOS器件的四倍。如果不對電路進行相應調整，很有機會在諧振LLC轉換器上在輕負載時效率可能下降多達0.5％。設計人員還應注意，如果要在CCM圖騰PFC設計中獲得最高的峰值效率，則必須通過打開碳化矽MOSFET溝道而不是只通過體二極體進行升壓。T82EETC-電子工程專輯

另一個要考慮的因素是器件結殼熱阻，這方面CoolMOS稍有優勢，由於CoolSiC晶片尺寸較小，在相同封裝情況下，CoolSiC熱阻為1.0K/W（IMW65R048M1H），而CoolMOS則為0.8K/W（IPW60R070CFD7），但實證明這些熱阻的差異在實際設計中可以忽略。T82EETC-電子工程專輯

在工作溫度範圍內導通電阻與矽器件比較

從器件參數上，設計人員可以快速明白碳化矽MOSFET其中好處之一，這個個參數是導通電阻RDS（on）。在晶片溫度100°C時，CoolSiC有較低的倍增係數（multiplication factor，K），約為1.13，而CoolMOS則為1.67，這意味著在晶片溫度100°C時的工作溫度下，一個84mΩ的CoolSiC器件具有與57mΩ CoolMOS器件相同的RDS（on）。這也清楚地表明，僅僅比較數據手冊中矽MOSFET和碳化矽MOSFET的 RDS（on）並不能反應實際導通損耗的問題。在晶片溫度低範圍，CoolSiC由於其較低的斜率倍增係數和對溫度的低依賴性，讓CoolSiC具有更高的擊穿電壓V（BR）DSS，因此比矽器件具有更大優勢，這對於那些位於室外或需要在低溫環境中啟動的設備非常有幫助。T82EETC-電子工程專輯

圖1：在晶片溫度25°C工作溫度兩種器件導通電阻基本相當, 溫度對CoolSiC RDS（on）的影響比CoolMOS要低T82EETC-電子工程專輯

與CoolMOS驅動設計中相同，CoolSiC MOSFET也可以使用EiceDRIVER驅動集成電路。但是，應注意的是，由於傳輸特性的差異（ID與VGS），CoolSiC這個器件的柵極電壓（VGS）應以18V驅動，而不是CoolMOS使用的典型值12V。這樣才可提供CoolSiC數據表中定義的RDS（on），如驅動CoolSiC™電壓限制為15V時它的導通電阻值高出18％。如果設計CoolSiC™電路時允許選擇新的驅動集成電路器，則值得考慮具有較高欠壓鎖定（約13V）的驅動集成電路，以確保CoolSiC 和系統可以在任何異常工作條件下安全運行。 碳化矽MOSFET的另一個優點是在25°C至150°C溫度之間，對傳輸特性的改變非常有限。T82EETC-電子工程專輯

圖2：在25°C（左）和150°C（右）的傳輸特性曲線表明，碳化矽MOSFET 受到的影響明顯低於矽MOSFET。T82EETC-電子工程專輯

避免負柵極電壓

需要注意的一個問題是要確保不允許柵極-源極關斷電壓（VGS）變得負值過大。理想情況下，不應施加負的關斷電壓，但所以在實際設計電路時，設計工程師應在原型製作時進行檢查，將電路電壓振蕩降低不要讓振蕩電壓影響柵極-源極關斷電壓變成負值。當VGS低於-2V，且持續時間超過15ns，這樣可能出現柵極閾值電壓（VGS（th））漂移，導致RDS（on）增大，以及整個應用生命周期內系統效率降低。負VGS出現的一個原因是由關斷時驅動集成電路和碳化矽MOSFET之間電路板寄生電感製造的柵源極電壓振蕩，這振蕩是由於碳化矽MOSFET關斷時電路板寄生電感有高速關斷電流(di/dt)通過所致。第二個常見原因是導通時由電容驅動的柵極-源極電壓，其源於半橋配置中第二個碳化矽MOSFET的高dv/dt開關。T82EETC-電子工程專輯

矽MOSFET設計中在此類問題一般可以通過柵極驅動器和矽MOSFET柵極之間插入一個高阻值電阻，或找到一種減慢di/dt和dv/dt的方式來解決。不幸的是，這些方法會導致開關損耗增加和系統效率降低。而在使用碳化矽MOSFET時，只需在柵極和源極之間增加一個二極體電壓鉗位即可解決這一難題。T82EETC-電子工程專輯

在碳化矽MOSFET的設計中，如果該振蕩問題是純電感性，降低振蕩方法是將碳化矽MOSFET源極分為電源極和驅動器源極，鉗位二極體連接碳化矽MOSFET柵極和驅動器源極之間。當然首選方法並使用開爾文源極（Kelvin source）封裝的碳化矽MOSFET，特別在大電流應用中。例如，在3.3kW 連續導通模式（CCM）圖騰PFC中，關斷電流可以達到25A至30A。CoolSiC IMZA65R048M1H的開通損耗EON比不使用開爾文源極封裝的相同RDS（on）的 TO-247封裝碳化矽MOSFET, IMWA65R048M1H能夠降低三倍。T82EETC-電子工程專輯

圖3：為避免碳化矽MOSFET的柵極電壓變為負值，應考慮使用二極體鉗位、或獨立的端和開爾文源極。T82EETC-電子工程專輯

實現超過99％的效率

在漏極-源極電壓VDS高於50V時，CoolSiC MOSFET輸出電容COSS也比相對應的CoolMOS MOSFET更高，CoolSiC MOSFET相對較大輸出電容COSS實際上可以降低關閉期間的過衝水平。對於這兩種器件技術，峰值VDS, max設置為數據表極限的80％。CoolMOS需要一個高柵極電阻來滿足要求，這種方法導致上面已經提到的效率降低，但CoolSiC設計則可以不使用這種電阻方案，因而進一步簡化了設計和布局以及它們的應用場景。這種好處取決於設計人員能否降低電路板寄生參數的實現。T82EETC-電子工程專輯

碳化矽MOSFET的QOSS特性也有利於硬開關和諧振開關拓撲架構。與矽MOSFET相比，碳化矽MOSFET的電荷QOSS降低了75％，因此所需的放電時間更少，這會降低CCM圖騰柱PFC的Eon損耗。而且，雖然CoolMOS CFD/CFD7系列的Qrr比上一代 CoolMOS CFD改進了十倍，但CoolSiC的Qrr參數再比CoolMOS CFD/CFD7的 Qrr又降低了五到十倍。這意味著，通過使用48mΩCoolSiC器件，對於3.3kW CCM圖騰PFC而言，可以實現99％以上的效率，而在Dual Boost PFC設計中使用CoolMOS的最佳效率只能達到98.85％的峰值。而且，儘管碳化矽MOSFET成本較高，但如果比較兩種設計方法的物料清單（BOM），結果是碳化矽MOSFETSiC解決方案物料清單相對的減少，可提供更具成本競爭力，而效率高達99％的解決方案。T82EETC-電子工程專輯

圖4：即便是107mΩ的CoolSiC CCM圖騰PFC其效率也接近99％，多數情況下性能都可超過最佳的CoolMOS Dual Boost PFC方案。T82EETC-電子工程專輯

總結

多年來，儘管矽MOSFET的技術進步使其在寄生參數方面取得了顯著改善，但矽的基本物理學特性仍然在阻礙著其性能的進一步提高，這限制了創新且又簡單的拓撲結構應用，因而也阻礙了可持續綠色高效率的拓撲發展。本文討論的碳化矽MOSFET技術在應用中同樣也存在挑戰，並非所有碳化矽MOSFET寄生特性都比矽MOSFET為好。但是，這種技術確實能夠提供許多優勢，加上在硬開關應用中的牢固性，使其值得在更高效電源轉換應用中考慮採用。650V CoolSiC系列的推出令這些優勢更加明顯，從而使碳化矽MOSFET技術在將功率轉換效率推向更高極限的同時，在經濟方面也更加切實可行。T82EETC-電子工程專輯

作者：英飛凌公司主管工程師René MenteT82EETC-電子工程專輯

責編：Amy GuanT82EETC-電子工程專輯

相關焦點

  • 在開關電源中,如何充分利用SiC器件的性能優勢?
    簡介 在過去的幾十年中，半導體行業已經採取了許多措施來改善基於矽MOSFET （parasitic parameters），以滿足開關轉換器(開關電源)設計人員的需求。
  • 在開關電源轉換器中充分利用碳化矽器件的性能優勢
    原標題：在開關電源轉換器中充分利用碳化矽器件的性能優勢 　　簡介　　在過去的幾十年中，半導體行業已經採取了許多措施來
  • SiC器件在電池系統中的應用解析
    SiC器件的主要應用如圖1所示，預測數據表明，到2030年，SiC的發貨量有望達到 100 億美元。電動車最重要的動力元件是電動車牽引逆變器，我們將在之後的文章中討論。其他重要轉換器有車載充電器和直流轉換器。它們越來越多地涉及雙向功率流，並因快速開關和出色的寄生二極體行為而大大獲益。SiC FET 產品現已符合 AEC-Q101 要求，可滿足這些需求。
  • DC/DC電源轉換器設計原理介紹
    DC/DC電源轉換器設計原理介紹 工程師周亮 發表於 2018-07-09 10:22:00 當今利用現有的組件、參考設計、工具和資源來設計一個基礎且好用的DC/DC電源穩壓器（或稱為電源轉換器）已經不是一件難事了
  • DC-DC轉換器與ADC電源接口
    取決於系統的限制因素和性能規格，採用其它拓撲可能會更好。 因此之故，讓我們看看使用DC-DC轉換器(有時也稱為開關調節器)以及LDO來驅動ADC電源輸入的情況(見圖1)。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/326350.htm
  • DC-DC轉換器和LDO驅動ADC電源輸入
    在《DC-DC轉換器與ADC電源接口》中，討論了使用DC-DC轉換器(開關調節器)以及LDO來驅動ADC電源輸入的情況。一般而言，系統中的很多電源噪聲處於這個頻率範圍，因此LDO可以很好地抑制這些噪聲。 諸如AD9683(AD9250的單通道版本)等ADC在2 MHz以上具有更好的PSRR性能，如下圖3所示;其PSRR可高達10 MHz。 這使得開關頻率附近區域的組合PSRR低於要求值。
  • ACDC和DCDC電源最佳EMI性能的實現
    電磁幹擾（EMI）始終是開關電源（AC-DC和DC-DC轉換器）的潛在問題。如今的電源有很好的電磁發射和抗幹擾的能力。但為了滿足特定的應用要求，仍要有正確的濾波電路以確保滿足標準的要求。 本文提供了實現AC-DC和DC-DC電源的最佳EMI性能以及如何選擇外部濾波器件的指南。
  • 泰德蘭電子網:簡單介紹AC/DC轉換器和AC/DC電源轉換器的知識
    泰德蘭電子網:AC/DC轉換器，AC/DC電源轉換器小知識AC/DC轉換器就是將交流電變為直流電的設備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為整流，功率流由負載返回電源的稱為有源逆變ACALTERNATING CURRENT 是交流的意思 ，DC-DIRECT CURRENT 是直流的意思，AC/DC變換是將交流變換為直流
  • SiC器件和封裝技術現狀
    眾所周知，封裝技術是讓寬帶隙 (WBG) 器件發揮潛力的關鍵所在。碳化矽器件製造商一直在快速改善器件技術的性能表徵，如單位面積的導通電阻 (RdsA)，同時同步降低電容以實現快速開關。新的分立封裝即將推出，它能讓用戶更好地利用寬帶隙快速開關性能。
  • 碳化矽與矽相比有何優勢?
    許多電源模塊和電源逆變器製造商已在其未來產品路線圖中規劃使用SiC技術。 這種寬禁帶技術大幅降低了特定負載下的開關損耗和傳導損耗，改善了散熱管理，提供了前所未有的能效。在功率電子系統中，散熱設計至關重要，它能確保高能量密度，同時縮小電路尺寸。在這些應用中，SiC因其3倍於矽半導體的導熱係數而成為理想的半導體材料。
  • 具有多個電壓軌的FPGA和DSP電源設計實例
    在「具有多個電壓軌的FPGA和DSP應用的電源設計方法」一文中，作者提出了多電壓軌FPGA和DSP應用的電源解決方案，討論了功率預算和排序選擇等在系統水平所關注的問題。本文將著重討論如何在各種類型的點到負載點(POL)直流/直流轉換器之間做出選擇，並討論如何設計這些轉換器才能滿足直流精度以及啟動和暫態要求。
  • 智能功率模塊助力業界加速邁向基於碳化矽(SiC)的電動汽車
    當前，新型快速開關的碳化矽（SiC）功率電晶體主要以分立器件或裸晶片的形式被廣泛供應，SiC器件的一系列特性，如高阻斷電壓、低導通電阻、高開關速度和耐高溫性能，使系統工程師能夠在電機驅動控制器和電池充電器的尺寸、重量控制和效率提升等方面取得顯著進展，同時推動SiC器件的價格持續下降。
  • 開關穩壓器DC/DC控制器LT3742的性能特點及應用範圍
    打開APP 開關穩壓器DC/DC控制器LT3742的性能特點及應用範圍 佚名 發表於 2020-12-18 09:30:00
  • 高功率電源應用中需要怎樣的隔離驅動?
    首先，在功率電晶體開關過程中，柵極電容充放電會在輸出端產生較高的電壓與電流，高電壓與高電流同時存在時，會造成相當大的開關損耗，降低電源效率。因此，在控制器和電晶體之間引入驅動器，可以有效放大控制器的驅動信號，從而更快地對功率管柵極電容進行充放電，來縮短功率管在柵極的上電時間，降低電晶體損耗，提高開關效率。
  • 功率器件巨頭怎樣去「玩轉」SiC市場
    脫穎而出更高的工作電壓、更高的效率、更好的散熱性能，都是SiC在電力電子領域的優勢。「如果用在電源上，SiC材料就可以帶來更好的功率轉換能力，更小的產品空間。」英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源解釋道。開發SiC器件，英飛凌已經有了超過10年的經驗。
  • 電動汽車dc轉換器拆解
    DC-DC轉換器（一）：提高電壓轉換效率 TDK已開始向混合動力車及電動汽車提供「DC-DC轉換器」。電動汽車充電電池的電壓高達數百伏。DC-DC轉換器將充電電池的電壓降至14V，提 供給鉛蓄電池。再把鉛蓄電池作為電源驅動發動機的輔機類、雨刷及前照燈等器件。 世界首款量產混合動力車的投入使用已經12年。
  • SiC半導體發展的下一步是什麼
    較小的裸片尺寸還減少了器件電容，從而降低了開關損耗，而SiC固有的高溫性能反而降低了熱應力。 當實現為SiC FET時，採用United SiC將SiC JFET與Si-MOSFET共封裝的共源共柵布置，常關器件可實現快速，低損耗的體二極體，高雪崩能量額定值和自限性短路條件下的電流。
  • 開關電源DCDC模塊如何進行PCB設計
    打開APP 開關電源DCDC模塊如何進行PCB設計 凡億PCB培訓 發表於 2020-10-23 11:57:19 1.開關電源概述 開關電源的基本構成如下圖所示，其中DC-DC變換器用於進行功率轉換，他是開關電源的核心部分，此外還有啟動、過流和過壓保護、噪聲濾波等電路。
  • 節能性能優異的升降壓型DC/DC轉換器——BD83070GWL
    節能性能優異的升降壓型DC/DC轉換器——BD83070GWL ROHM 發表於 2021-01-07 16:21:12 BD83070GWL是一款內置MOSFET的升降壓型DC/DC轉換器IC，適用於電池驅動的行動裝置
  • 如何有效地檢測Sic MOSFETn方案
    毫無疑問，功率電子器件作為基本元器件，將在未來幾年中持續發展。而新型碳化矽（SiC）半導體材料更是不負眾望，它比傳統矽材料導熱性更佳、開關速度更高，而且可以使器件尺寸做到更小。因此，碳化矽開關也成為設計人員的新寵。 碳化矽二極體主要為肖特基二極體。第一款商用碳化矽肖特基二極體十多年前就已推出。從那時起，它就開始進入電源系統。