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干貨 | 碳化硅(SiC)晶體管如何提高功率轉換效率-蘇州愛特維等離子設備,等離子清洗

發布日期:2021-03-26 15:17 來源:http://www.historianr.com 點擊:

干貨 | 碳化硅(SiC)晶體管如何提高功率轉換效率-蘇州愛特維等離子設備,等離子清洗

  • 寬帶隙材料的特性,重點是SiC。

  • 無橋圖騰柱拓撲如何幫助減少損耗。

  • 半橋逆變器拓撲的細分 

功率轉換系統的效率日益受到關注,并且對于經濟和環境問題越來越重要。80 PLUS標準鈦合金中定義的效率水平要求高達96%(在50%負載下):替代的,更高效的拓撲以及采用基于寬帶隙(WBG)材料的晶體管可以幫助較大程度地減少總損耗,因此提高效率。

本文旨在展示在某些功率轉換領域中,使用SiC MOSFET替代傳統功率開關的好處。我們從WBG材料的概述開始,并描述它們的特性如何影響功率晶體管的主要參數及其在實際應用中的特性和性能。

重點介紹了SiC晶體管可實現的效率提高。為此,我們展示了兩個主要示例:圖騰柱無橋PFC拓撲和半橋逆變器。這些拓撲可用于從電動機控制到不間斷電源和可再生能源發電系統的各種應用中。我們分析了功率損耗的示例并給出了結果。

WBG材料簡介

與常規硅相比,WBG材料具有相對較寬的能帶隙(在價帶和導帶之間)。碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是當今使用較廣泛的WBG材料。1顯示了WBGSi基材料的主要特性。 

許多物質化合物以稱為多晶型物的不同晶體結構存在。碳化硅在這方面非常獨特,因為研究人員已經鑒定出250多種不同的碳化硅多晶型物。3C-SiC4H-SiC由于其卓越的半導體性能而成為常用的多型體。本文使用的SiC晶體管基于4H-SiC。用eV表示的能隙是結晶固體中電子的導帶底部和價帶頂部之間的差。半導體表現出1 eV G <4 eV,而G高于9 eV的材料通常是絕緣體,而G低于1 eV的材料則是導體。

電子遷移率是對電子在電場作用下能在多大程度上移動通過材料的量度。與基于SiMOSFET (表1相比,SiC MOSFET所顯示的較高的能隙和較低的電子遷移率會影響溝道電阻:即,SiC MOSFET的溝道電阻高于Si MOSFET,因此輸入電壓較高。通常需要適當地飽和SiC MOSFET。

另一方面,較高的能隙意味著SiC MOSFET的泄漏電流隨溫度變化較小。SiC MOSFET的工作溫度也高得多,并受與封裝有關的可靠性考慮的限制。高壓MOSFET表現出的導通電阻主要是由于其厚度和漂移層的電阻率

SiC MOSFET的擊穿場比硅高10倍。因此,與SiC MOSFET相比,由于SiC MOSFETDSon極低,因此在擊穿電壓相等的情況下,漂移層需要較低的電阻率和厚度。2顯示了WBG和基于Si的晶體管的單位面積導通電阻的理論極限。


盡管當前可用的基于Si的晶體管已接近其*面積極限,但生產SiC器件的技術仍處于學習曲線的早期階段。因此,我們可以期望在后代看到更高的性能。

值得注意的是,對于給定的導通電阻和擊穿電壓,SiC MOSFET所需的管芯面積比常規硅MOSFET顯著更少。因此,它將具有較小的電容和較低的柵極電荷,這轉化為較低的開關損耗和較高的效率。

較高的導熱率反映為較低的熱阻。SiC MOSFET的面積相等時,其熱阻要低得多,從而可以降低工作結溫。

環境中的SiC晶體管

盡管先前描述了所有優點,但以前SiC晶體管的高成本使其只能用于高端工業市場(例如,石油鉆探電源,軍事電源系統等)的專用應用中。影響其成本的主要因素歸因于諸如SiC襯底的成本較高和可用性較低,SiC制造工藝的成本較高以及生產率較低(主要歸因于襯底的缺陷密度較高)等因素。

近期,基板質量的進步已經導致SiC器件的良率和可靠性的顯著提高。襯底的這種可用性以及更高的可用性極大地提高了這些晶體管的效率和制造成本,從而促進了它們在諸如車載充電器和牽引逆變器之類的電動汽車系統中的廣泛采用。

憑借SiC晶體管可實現更高效率和更高的開關頻率,從而減小了磁性元件的尺寸,WBG材料推動了SiC在工業市場上許多功率轉換領域的采用,這是汽車應用所獲得的收益。

但是SiC并非無處不在。IGBT在可再生能源系統,UPS和電機控制器中的成功很大程度上歸因于其較小的傳導損耗和這些應用所需的相對較低的開關頻率??梢酝ㄟ^改變權衡CESAT -t fall從而以不同的系列生產IGBT ,從而優化導通損耗與開關損耗之間的關系。  

但是,并聯幾個IGBT會改變輸出特性的斜率。一方面,導通電壓絕不會低于由IGBT的拐點效應建立的電壓偏移(?0.8V)。另一方面,并聯的“ n”MOSFET導致單個MOSFETDSon除以“ n”,從而實現了較低的導通損耗

在實際應用中,可以利用該特性而不必在所有條件下都實現較低的傳導損耗。一些電動機控制應用,例如電動汽車的逆變器或制冷的壓縮機,在其大部分壽命中都以標稱功率的一小部分(在滿負載的20%至50%之間)運行。因此,即使在這里,采用SiC晶體管也可實現更低的損耗和更高的效率

我們已經提到,功率轉換的許多領域中的能量損失可能會引起嚴重的經濟和環境問題。因此,在由低頻輸入電橋構成的整流級和隨后的DC-DC轉換器之間的高效功率因數校正(PFC)級可以幫助減少總損耗。

在許多情況下,要達到所需的效率,就需要使電源的三個階段中的每個階段的損耗較小化。無橋拓撲可以幫助消除輸入級的損耗,因此有助于達到目標效率水平。

PFC圖騰柱無橋拓撲在文獻中是眾所周知的,盡管由于MOSFET的本征二極管的高恢復而造成的損耗基本上將其使用限制在不連續導電模式下運行,因此主要用于低功耗應用。另一方面,由于本征漏極二極管的反向恢復電流可忽略不計,SiC晶體管為這種拓撲結構提供了新的視角。

顯示了無橋PFC圖騰柱(左)和半無橋圖騰柱PFC拓撲(右)。半無橋拓撲結構使用兩個晶閘管來限制浪涌電流,從而取代了使用效率較低的限流電阻器和繼電器來執行該功能的典型電路。

在傳統的PFC拓撲中,存在兩個橋式二極管壓降,而在升壓級存在一個壓降,而在圖騰柱無橋拓撲中,橋的低頻端的兩個低電阻MOSFET消除了二極管壓降,并改善了效率。此外,圖騰柱無橋PFC將傳導路徑中的功率損耗降至較低。

如圖4所示,圖騰柱拓撲結構包括兩個工作在高開關頻率(通常在65150 kHz之間)的SiC MOSFETS1,S2)和一對工作在200MHz的低電阻MOSFETM1,M2)線路頻率(47?63 Hz)。傳導路徑僅包括一個快速開關和一個慢速開關。

低頻MOSFET可以由兩個晶閘管代替,從而在啟動時控制浪涌電流,替代早期設計中使用的繼電器和浪涌電阻器方面提供了有用的優勢。

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