罗姆SiC MOSFET和Si IGBT的比较

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SiC半导体封装

基本上,SiC二极管和MOSFET可用于各种标准封装(分立器件和模块)。分立器件可分为两类:THT器件(通孔技术)和SMD(表面贴装器件)。对于封装设计,有必要了解和考虑SiC的物理特性。例如,由于SiC器件的切换时间更短,封装内的寄生电感在SiC半导体中比在Si IGBT中更重要。因此,Rohm进行了大量工作以减少分立器件和模块内的寄生电感。 
 
罗姆于2010年开始批量生产初始商用SiC产品。从那时起,该公司将其产品线扩展到不同的电源类别,以满足工业和汽车应用的要求。ROHM的产品包括分立器件(THT和SMD)以及模块。作为半导体制造商,ROHM还将其产品作为SiC晶圆(裸片)提供,并与主要模块制造商合作,以扩大全球SiC市场。 
 
Rohm提供的第二代SiC-SBD目前包括5A至100A的650V产品以及高达50A的1200V和1700V版本。2016年,ROHM开始批量生产第三代SiC-SBD,电压为650V,电流高达10A。 
 
第二代SiC-SBD特点
  • 反向恢复时间trr快(可高速开关)
  • trr特性没有温度依赖性
  • 低VF(第二代SBD)
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在SiC MOSFET领域,ROHM的产品组合甚至更大,采用两种不同的技术(平面和双沟槽)。平面技术已经可用于分立器件和模块,适用于650V,1200V和1700V以及高达600A的电流水平。 
 
罗姆基于其专有的双沟槽技术开始批量生产第三代SiC MOS产品,其中包括分立器件和全SiC模块,这将扩展现有的MOSFET产品系列,并有助于高效,高可靠性电力电子技术的发展。
 
 
用于SMPS应用的新型1700V SiC MOSFET
 
开关电源(SMPS)是所有电力电子系统中最重要的元件之一。毕竟,如果没有合适的电源,就不可能实现主系统的功能。基本上,SMPS子系统充当电力电子系统的所有电子子组件的内部电源,为微控制器,传感器和主功率半导体的驱动器提供必要的电源电压。作为业界最受欢迎的SMPS拓扑结构,高达数百瓦的反激式转换器可在直流输入和电流隔离直流输出之间传输电能。在实际应用中,Si MOSFET用作主开关,开关频率通常在16kHz和500kHz之间。更高的开关频率可以使用更小的电感器,虽然Si MOSFET和二极管的高损耗是一个限制因素。罗姆的新型1700V SiC MOSFET因其高效的开关性能和低Rdson而非常适合这些应用。ROHM提供TO-3PFM和TO268-2L封装的1700V SiC MOSFET(见图2)。
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图2:Rohm的1700V SiC MOSFET有两种不同的封装选择
 
由于其高电场强度,即使在高击穿电压下,SiC MOSFET也能保持每芯片面积的低导通电阻。图2显示了ROHM新开发的1700 SiC MOSFET与市场上最好的Si MOSFET之间的比较,该MOSFET通常用于反激式应用。1700V SiC MOSFET具有比1500V Si MOSFET低得多的导通电阻(Rdson)。SiC MOSFET的值为0.75Ω/1.15Ω,而Si MOSFET的典型值为9Ω,尽管SiC MOSFET的芯片尺寸比Si MOSFET的芯片尺寸小17倍。 
 
与具有相同封装的Si MOSFET相比,采用TO268-2L封装的1700V SiC MOSFET (SCT2H12NY)极大地改善了导通电阻和电流能力。由于SiC MOSFET的电容值非常低(Ciss和Coss),因此可以使用超过100kHz的开关频率而不会出现任何热问题,从而实现电感元件的小型化和印刷电路板的空间。此外,通过使用TO268-2L SMD封装,可以实现使用SMD生产线的自动化电路板组装,从而显着降低生产成本并最终降低总成本。为了在回扫拓扑中实现SiC MOSFET的最佳开关特性,Rohm设计了一种特殊驱动器(BD768xFJ-LB),其采用SOP-J8S封装的专用控制器。 
 
在三相400VAC工业应用中,两个串联连接的Si MOSFET通常用作flay后置转换器作为主开关,为关断状态下的主开关提供足够的电压裕量。由于Rohm新推出的1700V SiC MOSFET,两个Si MOSFET可以用单个SiC MOSFET代替。 
 
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图3:与1500V /9ΩSiMOSFET相比,ROHM 1700V/1.15ΩSiCMOSFET的导电行为
 
 
驱动应用的高效率
 
包括在逆变器输出端需要正弦滤波器的驱动逆变器的工业应用可受益于SiC提供的优点。例子包括功率在两位数千瓦范围内的电动机驱动逆变器。电机和逆变器可通过长达100米的电缆连接。在这些应用中,通常在逆变器的输出端使用正弦滤波器。 
 
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图4:驱动逆变器的标准拓扑结构
 
这种输出滤波器可以使用非屏蔽电缆,从而大大降低了总设备成本。作为额外的优点,这些滤波器导致电动机绕组中的高频电流低得多,这又导致电动机中的功率损耗降低。因此,这将改善电机的热性能并显着降低其噪音水平。总而言之,正弦滤波器将对整个系统的寿命和可靠性产生积极影响。但是,在大功率设备中,正弦滤波器将占应用程序的大部分音量。因此,降低滤波器的尺寸和成本将是一个有趣的建议,这基本上可以通过增加逆变器中半导体的开关频率来实现。 
 
默认情况下,Si IGBT技术用于这些应用中,开关频率约为10kHz。由于高功率损耗和逆变器中产生的热应力,IGBT不能用于开关频率较高的应用中。 
 
凭借其出色的物理性能,SiC为这种复杂的应用打开了新的大门。特别地,SiC能够使用高开关频率而不会在逆变器中引起过大的热应力。 
 
使用高开关频率可带来两个好处:输出滤波器可以更小,整个系统的谐振行为也会相应改善。 
 
图5比较了标准逆变器拓扑结构中Si IGBT技术和ROHM SiC技术的开关损耗(见图3)。该比较基于600V的DC链路电压(Vdc),200A的电动机相电流(Imotor)和10kHz的开关频率(Fsw)。 
 
对于图4中的数据,损耗归一化为Si IGBT和Si FRD(黑条)的组合。在由Si IGBT和SiC SBD组成的混合配置中,作为反并联续流二极管,开关损耗将降低30%(蓝色条)。如果在该拓扑中使用来自ROHM的全SiC模块(SiC MOSFET和SiC SBD),则开关损耗将显着降低(红色条)。 
 
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图5:Si IGBT,混合配置和ROHM全SiC模块之间的比较
 
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图6:基于ROHM沟槽技术的全SiC模块
 
世界上第一个基于ROHM新开发的沟槽技术的全SiC模块如图5所示。具有1200V的击穿电压,该模块支持180A的漏极电流。ROHM不断增加其模块产品线,现在提供高达600A的模块。
 
SiC的反向传导
 
如本系列文章第2部分所述,每个SiC MOSFET中都存在寄生反向PN二极管(体二极管)。在具有串联电感器的电力电子系统的换向回路中,当SiC MOSFET处于关断状态时,一些电流在该体二极管中流动。与所有PN二极管一样,当电流流过二极管时,二极管会产生正向电压。SiC MOSFET的物理特性包括宽带隙,这导致体二极管处的高压降。在系统的设计阶段,电力电子设计人员应该探索在开关转换期间使用体二极管的频率。如果大部分电流流过体二极管,则高压降会导致高热损耗。此外,切换时间在热设计中起着重要作用。 
 
作为消除这种高压降的可选方案之一,可以从SiC MOSFET的特定物理特性中获益,称为反向导通(见图6)。反向传导背后的机制基于以下事实:即使MOSFET反向偏置,SiC MOSFET的沟道也可以再次导通。然后,反向电流将流过SiC MOSFET沟道而不是体二极管。如图7所示,如果栅极电压增加,漏极和源极之间的电压降将减小。栅极电压Vgs = 18V将产生最佳结果。 
 
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图7:SiC的反向传导
 
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图8:当MOSFET通道再次导通时,压降将降低
 
如何在基于半桥配置的应用中使用和调整这种反向传导效应? 
 
半桥配置是电力系统中非常流行的拓扑结构,包括逆变器和DC / DC转换器。它由两个开关或SiC MOSFET组成(高侧开关和低侧开关)。在半桥拓扑中,微控制器产生的互补驱动信号通过栅极驱动器适应MOSFET,以确保系统的功能。必须在两个开关的转换之间插入死区时间,以防止DC链路发生短路。在死区时间内,电流将流过体二极管。在死区时间之后,先前处于关断状态的MOSFET可以再次导通,尽管它是反向偏置的。如图8所示,只有在死区时间(蓝色箭头)期间,电流才会流过体二极管,然后MOSFET通道再次导通,让电流流过MOSFET通道(红色箭头)。这种反向传导可以通过微控制器上运行的软件实现。 
 
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图9:在半桥拓扑中使用反向传导
 
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