SiC晶体管可实现的效率提高

gaosmile

功率转换系统的效率日益受到关注，并且对于经济和环境问题越来越重要。80 PLUS标准钛合金中定义的效率水平要求高达96％（在50％负载下）：替代的，更高效的拓扑以及采用基于宽带隙（WBG）材料的晶体管可以帮助最大程度地减少总损耗，因此提高效率。

本文旨在展示在某些功率转换领域中，使用SiC MOSFET替代传统功率开关的好处。我们从WBG材料的概述开始，并描述它们的特性如何影响功率晶体管的主要参数及其在实际应用中的特性和性能。

重点介绍了SiC晶体管可实现的效率提高。为此，我们展示了两个主要示例：图腾柱无桥PFC拓扑和半桥逆变器。这些拓扑可用于从电动机控制到不间断电源和可再生能源发电系统的各种应用中。我们分析了功率损耗的示例并给出了结果。

WBG材料简介

与常规硅相比，WBG材料具有相对较宽的能带隙（在价带和导带之间）。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）是当今使用最广泛的WBG材料。表1显示了WBG和Si基材料的主要特性。

许多物质化合物以称为多晶型物的不同晶体结构存在。碳化硅在这方面非常独特，因为研究人员已经鉴定出250多种不同的碳化硅多晶型物。3C-SiC和4H-SiC由于其卓越的半导体性能而成为最常用的多型体。本文使用的SiC晶体管基于4H-SiC。用eV表示的能隙是结晶固体中电子的导带底部和价带顶部之间的差。半导体表现出1 eV <E G <4 eV，而E G高于9 eV的材料通常是绝缘体，而E G低于1 eV的材料则是导体。

电子迁移率是对电子在电场作用下能在多大程度上移动通过材料的量度。与基于Si的MOSFET （表1）相比，SiC MOSFET所显示的较高的能隙和较低的电子迁移率会影响沟道电阻：即，SiC MOSFET的沟道电阻高于Si MOSFET，因此输入电压较高。通常需要适当地饱和SiC MOSFET。

另一方面，较高的能隙意味着SiC MOSFET的泄漏电流随温度变化较小。SiC MOSFET的工作温度也高得多，并受与封装有关的可靠性考虑的限制。高压MOSFET表现出的导通电阻主要是由于其厚度和漂移层的电阻率（图1）。

1. SiC晶体管的横截面，显示其厚度和漂移层的电阻率如何影响导通电阻。

SiC MOSFET的击穿场比硅高10倍。因此，与SiC MOSFET相比，由于SiC MOSFET的R DSon极低，因此在击穿电压相等的情况下，漂移层需要较低的电阻率和厚度。图2显示了WBG和基于Si的晶体管的单位面积导通电阻的理论极限。

2.该图显示了WBG和基于Si的晶体管的单位面积导通电阻的理论极限。

尽管当前可用的基于Si的晶体管已接近其在*面积极限上的R ，但生产SiC器件的技术仍处于学习曲线的早期阶段。因此，我们可以期望在后代看到更高的性能。

值得注意的是，对于给定的导通电阻和击穿电压，SiC MOSFET所需的管芯面积比常规硅MOSFET显着更少。因此，它将具有较小的电容和较低的栅极电荷，这转化为较低的开关损耗和较高的效率。

较高的导热率反映为较低的热阻。SiC MOSFET的面积相等时，其热阻要低得多，从而可以降低工作结温。

环境中的SiC晶体管

尽管先前描述了所有优点，但以前SiC晶体管的高成本使其只能用于高端工业市场（例如，石油钻探电源，军事电源系统等）的专用应用中。影响其成本的主要因素归因于诸如SiC衬底的成本较高和可用性较低，SiC制造工艺的成本较高以及生产率较低（主要归因于衬底的缺陷密度较高）等因素。

最近，基板质量的进步已经导致SiC器件的良率和可靠性的显着提高。衬底的这种可用性以及更高的可用性极大地提高了这些晶体管的效率和制造成本，从而促进了它们在诸如车载充电器和牵引逆变器之类的电动汽车系统中的广泛采用。

凭借SiC晶体管可实现更高效率和更高的开关频率，从而减小了磁性元件的尺寸，WBG材料推动了SiC在工业市场上许多功率转换领域的采用，这是汽车应用所获得的收益。

但是SiC并非无处不在。IGBT在可再生能源系统，UPS和电机控制器中的成功很大程度上归因于其较小的传导损耗和这些应用所需的相对较低的开关频率。可以通过改变权衡V CE（SAT） -t fall从而以不同的系列生产IGBT ，从而优化导通损耗与开关损耗之间的关系。  

但是，并联几个IGBT会改变输出特性的斜率。一方面，导通电压绝不会低于由IGBT的拐点效应建立的电压偏移（〜0.8V）。另一方面，并联的“ n”个MOSFET导致单个MOSFET的R DS（on）除以“ n”，从而实现了最低的导通损耗（图3）。

3.该图绘制了SiC和IGBT晶体管的输出特性之间的差异。

在实际应用中，可以利用该特性而不必在所有条件下都实现最低的传导损耗。一些电动机控制应用，例如电动汽车的逆变器或制冷的压缩机，在其大部分寿命中都以标称功率的一小部分（在满负载的20％至50％之间）运行。因此，即使在这里，采用SiC晶体管也可实现更低的损耗和更高的效率（再次参见图3）。  

图腾柱PFC

我们已经提到，功率转换的许多领域中的能量损失可能会引起严重的经济和环境问题。因此，在由低频输入电桥构成的整流级和随后的DC-DC转换器之间的高效功率因数校正（PFC）级可以帮助减少总损耗。

在许多情况下，要达到所需的效率，就需要使电源的三个阶段中的每个阶段的损耗最小化。无桥拓扑可以帮助消除输入级的损耗，因此有助于达到目标效率水平。

PFC图腾柱无桥拓扑在文献中是众所周知的，尽管由于MOSFET的本征二极管的高恢复而造成的损耗基本上将其使用限制在不连续导电模式下运行，因此主要用于低功耗应用。另一方面，由于本征漏极二极管的反向恢复电流可忽略不计，SiC晶体管为这种拓扑结构提供了新的视角。

图4显示了无桥PFC图腾柱（左）和半无桥图腾柱PFC拓扑（右）。半无桥拓扑结构使用两个晶闸管来限制浪涌电流，从而取代了使用效率较低的限流电阻器和继电器来执行该功能的典型电路。

4.这些图显示了无桥PFC图腾柱（左）和半无桥图腾柱PFC拓扑（右）。

在传统的PFC拓扑中，存在两个桥式二极管压降，而在升压级存在一个压降，而在图腾柱无桥拓扑中，桥的低频端的两个低电阻MOSFET消除了二极管压降，并改善了效率。此外，图腾柱无桥PFC将传导路径中的功率损耗降至最低。

如图4所示，图腾柱拓扑结构包括两个工作在高开关频率（通常在65至150 kHz之间）的SiC MOSFET（S1，S2）和一对工作在200MHz的低电阻MOSFET（M1，M2）线路频率（47〜63 Hz）。传导路径仅包括一个快速开关和一个慢速开关。

低频MOSFET可以由两个晶闸管代替，从而在启动时控制浪涌电流，替代早期设计中使用的继电器和浪涌电阻器方面提供了有用的优势。与传统的NTC / PTC浪涌电流限制相比，该解决方案在可靠性方面具有有趣的优势，同时减少了待机损耗。

在高频部分，与硅MOSFET相比，SiC MOSFET的反向恢复电荷非常小，这也使得图腾柱无桥PFC可以用于大功率应用。通过实现非常高的效率和高功率密度，它可以满足UPS和电动机控制应用的需求。

表2显示了使用两个晶闸管和两个SiC MOSFET的PFC半无桥拓扑的计算效率。对于此示例，我们将使用TN5050H-12WY晶闸管和STCW90N65G2V SiC MOSFET器件。SiC FET在25°C时的最大R DSon为24mΩ，并通过具有4A电流隔离的半桥双通道栅极驱动器以正和负栅极电压（+20 V，-4 V）驱动灌电流/灌电流能力（STGAP2D）。表2是针对不同的输入电压和功率水平计算得出的，假设直流总线电压为400 V dc，开关频率为100 kHz。

该分析基于以下假设：

• 不考虑电感或电容器的损耗。
• 假设结温为125°C。
• 每个开关的正向电流用于线路周期的一半，反向电流（同步整流器和体二极管）的另一半用于线路周期
• 电桥损耗：由于电桥的工作频率是线路频率的两倍，因此仅考虑传导损耗。
  
  

值得注意的是，即使在低输入电压下，由于采用了碳化硅碳化硅技术，也有可能实现高效率。在较高的输入电压和功率水平下，效率比预期的要高。

变频器示例

图5显示了另一个具有半桥逆变器拓扑的用例。SiC MOSFET在UPS和可再生能源应用中也被广泛采用，以替代硅晶体管。同样，主要优点是可获得更高的效率，更高的功率密度和更高的工作温度。

5.该示意图说明了用于交流电压生成的半桥逆变器拓扑。

尤其是，SiC MOSFET可以在更高的频率下开关，从而可以使用更小尺寸的无源元件来生产更紧凑的产品并降低解决方案成本。对于逆变器应用而言，这是一个很大的优势，在逆变器应用中，在输出级上使用LC或LCL滤波器来过滤由开关级产生的电压的谐波。如果该滤波器必须过滤低开关频率，则其尺寸和成本可能会很大。

该拓扑结构使用两个SiC MOSFET和两个电容器来分流直流总线电压（再次见图5）。输出LC滤波器连接在总线电容器的中点和开关桥臂的中点之间。这两个开关通常由正弦脉冲宽度调制（SPWM）控制。尽管SiC MOSFET具有快速开关功能，但开关频率应保持在150 kHz以下以避免高开关损耗。软开关技术可以减少开关损耗，尽管会以增加其他组件为代价，从而增加了转换器的成本和尺寸。

图6中显示了这种实现方式的示例，其中具有一个2 kW半桥逆变器拓扑，该拓扑从400 V直流总线工作，并产生120 V交流有效值输出电压。SiC MOSFET是采用高电压半桥栅极驱动器驱动的HiP247封装中的两个STGW90N65G2V，能够提供高达4 A的源极/吸收电流。选定的栅极驱动器L6491D向两个SiC FET的栅极提供+18 V / 0 V的驱动电压。该滤波器由一个250µH的电感器和一个470nF的塑料薄膜电容器组成。

6.显示的是意法半导体公司的2kW SiC FET半桥逆变器评估板。

我们在35、70和140 kHz下测试了逆变器，并在表3中总结了效率结果，包括输出滤波级中的损耗以及电源和电缆损耗。SiC MOSFET损耗的计算是在逆变器工作于2 kW且负载功率因数为0.85的前提下进行的。

在表4中，总结了三种不同开关频率下MOSFET损耗的细分。可以观察到，在损耗和潜在减小磁性组件尺寸方面，最佳的折衷方案是70 kHz开关频率。

还要注意的另一件有趣的事是，可以通过使用+20 V / −4 V的正和负栅极驱动电压进一步优化效率。在这种情况下，效率结果显示15％至100之间平均提高0.2％输出负载的百分比。

图7显示了此用例示例中考虑的两种不同驱动方案的壳体温度。逆变器在室温下工作，额定负载（PF = 0.85），开关频率为70 kHz。将两个SiC器件安装在具有自然对流的热阻为1.6C / W的散热器上。

7.这些图像描绘了使用两个驱动电压进行机箱温度测量：20 V / −4 V（左）和18 V / 0 V（右）。

结论

在功率转换的许多领域，传统的ac-dc转换器拓扑在所有要求高效率的情况下都存在一些局限性。本文说明了碳化硅的特性如何影响SiC晶体管的性能以及与基于Si的IGBT开关的主要相关差异。

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