SiC器件與Si技術(shù)的對比優(yōu)勢及在PFC和Boost轉換器、硬/軟開(kāi)關(guān)電路、電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器等應用中的趨勢

SiC的應用始于2000年，最早在PFC中采用了SiC JBS二極管。隨后是在光伏行業(yè)中，開(kāi)始使用SiC二極管和FET。但是，最近在EV車(chē)載充電器和DC-DC轉換器相關(guān)領(lǐng)域應用的激增，顯著(zhù)推動(dòng)了SiC需求的增長(cháng)。電動(dòng)汽車(chē)逆變器、650V設備的新興應用以及服務(wù)器電源和5G電信整流器等的應用有望推動(dòng)SiC需求的快速增長(cháng)。本文介紹了這些SiC器件相對于現有Si技術(shù)的優(yōu)勢。

SiC器件的優(yōu)點(diǎn)

與IGBT相比，使用SiC FET的優(yōu)勢已得到充分證明。較寬的4H-SiC帶隙允許形成電壓阻擋層，理想情況下，其電阻要比相應的單極硅器件小100倍。SiC的導熱系數也是硅的3倍?，F在，可在650-1700V范圍內以平面結構和溝槽結構提供性能不斷提高的SiC MOSFET，但仍然存在MOS溝道遷移率低的問(wèn)題。還可以使用基于SiC JFET的共源共柵FET，由于SiC JFET通道具有更高的整體遷移率，因此芯片尺寸更小。在本文的其余部分中，除非有必要進(jìn)行區分，否則我們將所有這些SiC晶體管都稱(chēng)為SiC FET。在這兩者之間，因為它們在大多數情況下可以互換使用的。

圖1：第一象限傳導中SiC FET與IGBT的導通狀態(tài)壓降

在1200V及更高電壓下，硅MOSFET取代了IGBT，IGBT在高負載電流下提供了更低的傳導損耗，但是由于更低的傳導損耗來(lái)自電導率調制，因此帶來(lái)了開(kāi)關(guān)損耗的損失。IGBT通常與反并聯(lián)快速恢復PiN二極管一起使用，這也會(huì )造成開(kāi)關(guān)損耗，因為只有清除這些二極管中存儲的電荷，才能使它們保持截止狀態(tài)電壓。

圖2：與IGBT，聯(lián)合 SiC FET 和典型SiC MOSFET一起使用的，不使用反并聯(lián)肖特基二極管的Si FRD的典型傳導特性

PFC和Boost轉換器中的SiC二極管

在PFC電路和升壓轉換器中廣泛使用SiC二極管，因為不存在存儲的電荷會(huì )導致FET中的E(ON)損耗大大降低，無(wú)論是在400V總線(xiàn)電壓下使用650V超結MOSFET，還是在600V-1500V總線(xiàn)電壓下使用快速I(mǎi)GBT。 實(shí)際上，使用SiC JBS二極管的優(yōu)勢隨電壓升高而增加。即使不使用SiC FET作為主要開(kāi)關(guān)器件，這些二極管也能提供提高效率和提高工作頻率的途徑，這也為這些成熟產(chǎn)品提供了超過(guò)1億美元的市場(chǎng)。

硬開(kāi)關(guān)電路中的SiC優(yōu)勢

表1列出了評估硬交換應用的交換技術(shù)時(shí)感興趣的關(guān)鍵數據手冊參數。讓我們舉幾個(gè)重要的例子。對于服務(wù)器電源，根據功率水平，可以使用總線(xiàn)電壓為400V的電信整流器和車(chē)載充電器，圖騰柱PFC拓撲或三相有源前端整流器。為了提高功率密度并降低BOM成本，需要更高的開(kāi)關(guān)頻率以減小電感器尺寸。高E(ON)損耗會(huì )阻止硅超結FET在連續導通模式（CCM）中使用，即使是由于壽命過(guò)長(cháng)而降低Q_RR，由于過(guò)度損耗和不良的恢復特性，它們也無(wú)法使用。所有SiC FET解決方案均具有出色的低Q_RR二極管，因此大大減少了E_on損耗。與開(kāi)爾文源封裝（如TO247-4L，D2PAK-7L和DFN8x8）一起使用時(shí)，設計人員可以將硬開(kāi)關(guān)頻率提高2-3倍，這比硅產(chǎn)品高。它還有助于所有SiC FET元件具有較低的TCR，即，導通電阻隨溫度的增加較小。

表1：相關(guān)關(guān)鍵參數

SiC在軟開(kāi)關(guān)電路中的優(yōu)勢

在服務(wù)器電源和電信整流器以及EV車(chē)載充電器和DC-DC轉換器中，廣泛使用相移全橋和LLC電路進(jìn)行DC-DC轉換。通常，寬帶隙開(kāi)關(guān)的價(jià)值，尤其是在這些應用中基于SiC的FET的價(jià)值來(lái)自幾個(gè)主要特征。首先，SiC FET的Coss低，這允許導通時(shí)快速V_DS躍遷，然后允許使用高開(kāi)關(guān)頻率或寬輸入/輸出電壓范圍。其次，可以將軟導通開(kāi)關(guān)的截止損耗估算為測得的硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷能量減去存儲在輸出電容中的能量，表示為E_OFF— E_OSS。如圖2所示，對于UF3C120040K4S等SiC FET，關(guān)斷能量非常低。第三，低R_DS（ON）值與高額定電壓相結合，使DC-DC轉換器可以在800V的電壓下工作。第四，SiC FET具有低反向恢復電荷和非常高的電壓壓擺率能力，范圍為100至200 V / ns。這實(shí)際上消除了dv / dt引起的故障，而無(wú)需降低載波壽命。最后，與SiC MOSFET和GaN HEMT的3至5 V相比，United SiC FET特別具有低的本體二極管壓降，通常僅為1.5V。隨著(zhù)頻率的升高，體二極管導通的時(shí)間百分比增加，從而使空載時(shí)間內二極管的導通損耗更加明顯。

圖3：各種SiC FET選項的有效關(guān)斷損耗（E OFF  – E OSS）。50A，800V裝置的損失在100μJ，該裝置僅在該電流在PFSB使用時(shí)產(chǎn)生關(guān)斷100kHz下的損失為10W。在較低的電流下，這些低損耗允許頻率高達500kHz

SiC對電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器的好處

硬開(kāi)關(guān)中SiC FET的所有損耗優(yōu)勢都可以使EV牽引逆變器受益，但如果電動(dòng)機驅動(dòng)器的工作頻率較低，則主要優(yōu)勢必須來(lái)自較低的傳導損耗。這已經(jīng)在圖1a和1b中顯示出來(lái)，這是由于每單位芯片面積的電阻較低，并且與IGBT不同，正向傳導中沒(méi)有拐點(diǎn)電壓，并且可能存在反向同步傳導。

EV應用所需的開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵特性是承受各種類(lèi)型的短路故障。這要求開(kāi)關(guān)承受整個(gè)總線(xiàn)電壓（對于650V器件為400V，對于1200V器件為800V），同時(shí)在柵極完全導通時(shí)同時(shí)傳導高電流，持續2-6μs的時(shí)間，直到去飽和電路檢測到在施加0.5至2μs的消隱時(shí)間后出現短路情況。然后，驅動(dòng)程序將開(kāi)關(guān)慢慢關(guān)閉。在此期間，開(kāi)關(guān)可能會(huì )在幾微秒內經(jīng)歷300-500°C的溫度上升，并且仍必須安全地關(guān)閉。此外，交換機最多應處理100或1000個(gè)此類(lèi)事件，而設備參數不會(huì )發(fā)生變化。

盡管此特性是為IGBT提供的，但SiC MOSFET和GaN HEMT難以達到相同的水平。United SiC共源共柵FET具有獨特的能力，能夠以最小的芯片尺寸或導通電阻折衷來(lái)安全地處理重復性短路。這源于常導通JFET的固有特性，該器件是導電器件，沒(méi)有柵極氧化物退化，并且可以承受比SiC MOSFET高的溫度和電場(chǎng)峰值。此外，由于自加熱導致的通道電導的減小迅速減小了器件電流，減慢了加熱速率，并使器件在失效之前可以持續更長(cháng)的時(shí)間。

SiC器件在這種模式下通常更堅固，因為這些垂直器件會(huì )吸收其體積中的熱量，而GaN HEMT是在超薄二維電子氣中產(chǎn)生熱量的橫向器件。

SiC在線(xiàn)性模式應用中的優(yōu)勢

圖3顯示了SiC常開(kāi)JFET，SiC MOSFET和Si MOSFET 的歸一化V_TH對溫度特性。顯然，只有常導通的SiC FET才能避免V_TH隨溫度下降。如果將某個(gè)設備用作電流源，或者甚至是在故意緩慢開(kāi)關(guān)的固態(tài)斷路器中，則將時(shí)間花費在低電流，低(V_GS— V_TH)的范圍內。V_DS高會(huì )導致器件的V TH負溫度系數容易受電流絲化影響，并且在比預期低得多的電壓下失效。SiC JFET并非如此，這一事實(shí)已通過(guò)實(shí)驗驗證。因此，SiC JFET在形成電流源，電子負載等方面變得非常有用，在這種情況下，它們必須在這種低電流高電壓耗散狀態(tài)下偏置，而不會(huì )破壞到其額定擊穿電壓。

SiC對電路保護的好處

該V中的事實(shí)TH不隨溫度降低，以?xún)?yōu)良的限流和SiC JFET的短路能力，和SiC JFET器件的耐受4X比破壞之前硅器件更高的能量耗散能力，使得這些器件在電路斷路器非常有用，浪涌電流限制器和負載開(kāi)關(guān)。JFET 在給定的芯片尺寸下具有最低的可用R_DS（ON），具有較低的工作傳導損耗，而不會(huì )損害這些器件承受重復性過(guò)應力事件的堅固性。

柔性高壓FET的新穎方法

UnitedSiC展示了針對高壓FET的超級共源共柵方法，其中通過(guò)串聯(lián)連接許多正常導通的JFET與低壓Si MOSFET和獨特的偏置網(wǎng)絡(luò )構建了非常高的電壓開(kāi)關(guān)，從而產(chǎn)生了可用作3端子開(kāi)關(guān)。針對200A，6500V半橋模塊的最新開(kāi)發(fā)成果已經(jīng)由5級串聯(lián)的1700V JFET構成。該器件可以通過(guò)低Qg的單個(gè)0至12V柵極驅動(dòng)器進(jìn)行切換–與串聯(lián)的IGBT或SiC MOSFET一樣，不需要單獨的柵極驅動(dòng)器。另一個(gè)針對低電流開(kāi)關(guān)的演示將supercascode技術(shù)應用于40kV單開(kāi)關(guān)。由于較低電壓的JFET技術(shù)更成熟，并且原材料成本更低，這為設計人員提供了低成本解決方案的選擇，最高可達以前無(wú)法達到的電壓。另外，如果需要特定的電壓或電流類(lèi)別，可以使用United SiC共源共柵和JFET器件輕松完成。

圖3：Si MOSFET，SiC JFET和Si MOSFET的V TH隨溫度的標準化變化情況。負斜率會(huì )導致| V_GS— V_TH | 低時(shí)的不穩定工作。在高V_DS下SiC常導JFET 不存在此問(wèn)題

結論

我們在本文中描述了很多基礎知識，簡(jiǎn)要描述了SiC FET和基于SiC JFET的解決方案在各種應用中看到的優(yōu)勢。SiC FET不僅可以改善高頻DC-DC和AC-DC應用的設計，而且由于其寬的柵極驅動(dòng)范圍，描述了EV逆變器中UnitedSiC FET從低傳導損耗到強大的短路處理能力的優(yōu)勢。以及主動(dòng)模式下SiC JFET技術(shù)以及電路保護應用（尤其是用于高電壓和大功率的應用）以及使用較低電壓JFET構建模塊構建靈活的高電壓大電流開(kāi)關(guān)的獨特優(yōu)勢。