从IGBT到SiC MOSFET,实现工业应用的平稳替代

标签:罗姆SICIGBT
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SiC材料的特性和优势已被大规模地证实,它被认为是用于高电压、高频率的功率器件的理想半导体材料,最近推出的几种基于SiC的功率器件如图1所示。

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▲图1:SiC功率器件发展的时间线路图

在SiC器件开发初始阶段,基于SiC的肖特基二极管(SBD)就已经出现,目前SiC SBD广泛用在单相开关电源(SMPS)的功率因数校正(PFC)中,它具有非常低的反向恢复电荷,可明显降低二极管本身和对应开关器件的动态损耗。随着技术的进一步发展,光伏逆变器和不间断电源(UPS)等应用中也采用了SiC SBD。

第一个基于MOSFET结构的常闭SiC有源功率器件在2010年成功推出,这种器件简化了栅极驱动电路,实现了从标准Si IGBT及超级结MOSFET后的平滑过渡。不同应用领域的电子公司开始注意到SiC器件上的短期收益,展开了开发包括SiC MOSFET等功率器件的各种项目。在经过系统级的大规模认证之后,这些项目中的一部分成为正式产品,并被引入到现场应用。

但在应用SiC MOSFET过程中也存在一些特殊性,为了获得最大的利益,系统设计做一些改变是必要的。本文将介绍采用SiC器件开发前期和开发过程中面临的一些问题,并对相关问题都给出一些技术上的解释,解决这些问题的实际案例在也会给出展示。

质量和可靠性
SiC器件的可靠性是开发工程师所关心的重点之一,因为在出现基于Si材料的IGBT和MOSFET器件的同时,没有出现基于SiC的类似器件。

如表1所示,Si器件和SiC器件的认证过程遵循相同的标准和测试条件。

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1 基于工业标准测试的产品认证,来自于Semikron应用手册 [1]
2 罗姆分立器件的认证遵循JEITA ED-4701。
▲表1:基于Si材料和SiC材料的功率器件认证测试。

栅极氧化层寿命
罗姆最近推出了其第3代SiC MOSFET产品,其不同于前代的平面栅结构,这是一个采用沟槽栅结构的SiC MOSFET器件。这种新结构消除了平面栅结构中内部寄生JFET上的电阻,使单位面积的阻值降低了一半[2]。

罗姆SiC MOSFET的沟槽结构也被称为U型结构,如图2(a)所示,可以看出在阻断时间内围绕界面SiC- SiO2的电场比传统沟槽结构的低得多,这确保了栅极氧化层的长寿命,也使其工作电压水平接近标称值。

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▲图2:双沟槽结构与传统沟槽结构的电场仿真对比。

为了开通MOSFET,需在栅极和源极之间施加电压,这将使栅极氧化层内出现电场。为了预测栅极氧化层的寿命,我们进行了一项加速试验,将更高的电压施加到栅极,并收集一定数量的不同栅极电压点,当达到典型栅极电压时,可以推断出栅极氧化层的寿命。图3给出了罗姆第3代SiC MOSFET的加速试验结果,可以看出对于推荐的栅极电压,栅极氧化层的寿命比工业应用的典型要求更长。

如短路和雪崩等现象已经在罗姆实验室对SiC MOSFET进行了试验验证,其他如短路承受时间(SCWT)和雪崩能量等参数的定义正在完成中。

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▲图3:罗姆第3代SiC MOSFET的栅氧化层加速寿命试验(Tj=175 ℃)。

同时应避免短路和雪崩等现象的出现或在系统中解决这个问题。Si IGBT是已经实现过的案例,其本质上没有雪崩,此外一些超快速IGBT器件更是没有或弱化了SCWT,尽管如此,它们已被广泛应用于各个工业领域。

防御宇宙射线辐射
宇宙射线辐射现象已在很多文献中得到了很好的描述[3],这是一个非常关键的问题,特别是对于那些工作电压非常接近功率器件额定电压值的应用,比如光伏逆变器和UPS系统等。

由宇宙射线辐射带来的故障往往在半导体器件寿命期间中随机发生。在加速测试中,有可能预测到器件的故障率(FIT),这个值通常随阻断电压增加而成倍增加,测试结果如图4所示,图中给出了罗姆半导体的同规格(同额定电流及额定电压)的Si IGBT、Si MOSFET以及SiC MOSFET等器件间的实验结果对比,可以看出SiC MOSFET的FIT值比Si器件的低了多达3个数量级。

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▲图4:同规格的Si器件(IGBT和MOSFET)与SiC MOSFET在宇宙射线辐射下的FIT值对比。[3]

这个明显改善得益于SiC MOSFET的固有特性。在电流额定值相同的情况下,三者中SiC MOSFET所需的芯片面积更小,且其在阻断状态具有更高电场裕量,这得益于SiC材料的击穿电场强度高。

性价比
众所周知,SiC晶圆的生产成本比生产Si晶圆更高。除去众所周知的因素外,生产过程中所涉及的能量也是产生成本差异的主要原因之一。这种成本差异预计将在未来几年有所减少,主要驱动因素有:

晶圆尺寸增加;
晶圆缺陷密度减小和工艺引起的缺陷减少;
经济收益规模随着SiC器件的不断应用而增加。

即使目前单个器件价格较高,仍然能够建立起具有经济优势的基于SiC器件的应用系统。

辅助电源
工业系统往往需要一个辅助电源给微控制器、栅极驱动器、风扇、液晶显示器等外围元器件提供所需的电能,通常会使用反激式开关电源。三相系统中的输入电压可以达到相间480 VAC,这时就需要阻断电压在1000 V以上的功率器件。

在SiC器件可供使用之前,该辅助系统通常是采用Si MOSFET和阻断能力高达1500 V的BJT来实现的。这些器件存在芯片面积大、导通电阻高等劣势,这意味着高开关损耗和高通态损耗,使散热器的使用几乎是强制性的,从而增加了系统成本。

额定电压1700 V的SiC MOSFET的导通电阻低至1 Ω,由于芯片尺寸小,其动态损耗也显著降低,因此它工作开关频率可高达120 kHz,从而减小变压器尺寸,也使散热器不是必需的。文献[4]介绍了罗姆针对反激式变换器应用所开发的准谐振控制器。

工业电源
开关电源(SMPS)被广泛应用在各个工业领域,如为低电压电池等直流负载供电,SMPS系统通常分为两级: 前端的AC-DC整流器及后端的隔离式DC-DC变换器。

图5中并排放置了两个工业电源。左边的参考系统是基于Si IGBT搭建,其工作开关频率为20 kHz(AC-DC)和40 kHz(DC-DC),在额定功率20 kW下的效率为83%。

右边是基于SiC MOSFET新系统,SiC器件动态损耗低的特性有助于提升系统开关频率,该系统AC-DC级工作频率为40 kHz,DC-DC级工作频率高达150 kHz,从而使磁性元件的数量和体积都大幅度降低,系统总体积比参考系统的小40%。与参考系统相比,新系统的总成本没有增加,且额定功率增加了30%,可高达26 kW。

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▲图5:基于Si IGBT(左)和基于SiC MOSFET(右)的SMPS系统对比,右边的表格为关键参数对比。

电磁兼容性
SiC器件允许高频率、高开关速度运行,这使其具有极低的动态损耗,但也带来了电磁兼容性(EMC)方面的一些挑战。

适用于并网系统的CISPR11标准(特别是改进后的B版本)确定了150 kHz以上频率范围的电磁干扰(EMI)限制,其频率范围和dBμV排放限制如图5所示。

光伏逆变器的普遍工作频率为20 kHz,这也是阻断能力在600 V以上的Si IGBT的典型工作频率。来自逆变器的方波电压需要在进入电网之前进行滤波,根据傅里叶变换可将这个方波描述为一系列正弦波,其频率为基波频率(20 kHz),还有60 kHz、100 kHz等奇次谐波。可以证明落入到调节范围的第一个频率是9次谐波,它有着近20 dBμV自然衰减,这在文献[5]中有着很好的描述,图6中转载了其中部分内容。

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▲图6:不同开关频率下并网光伏逆变器的滤波效果,以CISPR11标准 B版本为基准[5]。

如果将频率增加到f.i. 100 kHz,3次谐波就已经落入调节区域,这样带来的结果是约18 dBμV的自然衰减,此时必须通过无源滤波器来进行补偿。由于额外的滤波部分将使系统成本增加,建议在开关频率略低于50 kHz(即调节范围以外的3次谐波)或略低于150 kHz(即调节范围以外的1次谐波)下工作。

如果需要更高的开关频率,根据文献[5]可知下一个最有效点为400 kHz,开关频率在400kHz以上时无源滤波器的尺寸将再次减小。

来自周边电路的杂散电感、电容和电阻等寄生元件在如此高的工作频率下可能会阻断运行。电感等参数往往来自于包装、隔离箔、电容器串联电阻、PCB设计等。为了解决这个问题,谐振拓扑结构或许是一个不错的选择。串联谐振LLC等电路[6]可避免硬开关运行,从而减少电磁辐射。此外开关速度也可以进行控制,这使得电压波形更接近于梯形,从而增加高频谐波含量的自然衰减程度。

结论
由上可知,SiC MOSFET与同规格的Si器件相比,具有显著的技术改进。SiC MOSFET已经具有广泛工业应用所要求的质量水平,相关标准认证及栅极氧化层寿命加速试验的结果也已经证明了这一点。

虽然目前价格存在劣势,但SiC MOSFET带来的经济效益也已经在一些应用中体现出来。在不久的将来,晶圆尺寸增加和经济因素影响等因素会进一步降低SiC器件的价格,使其更具竞争力,并在更多电子行业中得以应用。

参考文献
1.“Semikron Application Manual”,2nd edition,page 117. Availableonline https://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-application-manual-power-semiconductorsenglish-en-2015
2.“ROHM Semiconductor shows 3rd Generation SiC MOSFETs withTrench Gate Structure”. Available online https://www.powerguru.org/rohm-semiconductor-shows-3rd-generation-sic-mosfets-with-trench-gate-structure/
3.Source :H. Asai,I Nashiyama,K Sugimoto,K Shiba,Y Sakaide,Y Ishimaru,Y Okazaki ,K Noguchi,T Morimura “ToleranceAgainst Terrestrial Neutron-Induced Single-Event Burnout in SiCMOSFETs” IEEE Trans. Nucl. Sci.,vol.61,2014.
4.Application Note “BD768xFJ-LB series Quasi-Resonant converterTechnical Design”. Available online.
5.A. C. Schittler,D. Pappis,P. Zacharias:“EMI filter design for highswitching speed and frequency grid-connected inverters”,EPE2016.
6.Y. Nakakohara,et al “Three Phase LLC Series Resonant DC/DCConverter Using SiC MOSFETs to Realize High Voltage and HighFrequency Operation”,IEEE Transactions On Industrial Electronics.

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