東芝SiC MOSFET為您開(kāi)啟電源新大門(mén)

要說(shuō)半導體圈子現在啥最熱，非第三代半導體莫屬，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體技術(shù)將成為未來(lái)半導體發(fā)展的新熱點(diǎn)，而這些材料為基材的半導體器件主要應用于和功率及能源相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，“碳中和”目標的實(shí)現更是離不開(kāi)這些技術(shù)的廣泛普及。

功率半導體具有將直流電轉換成交流電的逆變器功能，將交流電轉換成直流電的轉換器功能，還具有改變交流電頻率的變頻器功能。相比于傳統的硅（Si）MOSFET和IGBT產(chǎn)品，基于全新碳化硅（SiC）材料的功率MOSFET具有耐高壓，高速開(kāi)關(guān)，低導通電阻性能。除減少產(chǎn)品尺寸外，該類(lèi)產(chǎn)品可極大降低功率損耗，從而大幅提升系統的能源效率。SiC MOSFET適用于大功率且高效的各類(lèi)應用，包括工業(yè)電源、太陽(yáng)能逆變器和UPS等。

SiC MOSFET的特性

由于碳化硅（SiC）的介電擊穿強度大約是硅（Si）的10倍，因此SiC功率器件可以提供高耐壓和低壓降。與相同耐壓條件下的Si相比，SiC器件中的單位面積導通電阻更低。雙極IGBT器件，在Si器件中通常用作1000V或更高的高壓晶體管。IGBT雙極晶體管與兩種載流子、電子和空穴共同作用，通過(guò)將少數載流子和空穴注入漂移層中，從而降低漂移層的電阻。但是，雙極晶體管的缺點(diǎn)是由于少數載流子的積累而在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尾電流，這會(huì )增加關(guān)斷損耗。
另一方面，由于SiC MOSFET是單極器件，即便在高壓產(chǎn)品中，也只能通過(guò)電子工作，因此不會(huì )產(chǎn)生尾電流；同時(shí)，與Si IGBT相比，其關(guān)斷損耗也較低。因此，SiC MOSFET能夠在高頻范圍內運行，此外，節省無(wú)源元件也有助于設計小型化。我們以東芝半導體的TW070J120B為例，與傳統的硅Si IGBT（低柵極輸入電荷等）相比，TW070J120B 1200V SiC MOSFET可提供更高的開(kāi)關(guān)速度。它可提供低導通電阻和高柵極電壓閥值（Vth），可預防故障。較寬的柵極-源極電壓（VGSS），支持更簡(jiǎn)單的柵極驅動(dòng)設計。

圖1  SiC MOSFET與傳統的硅Si IGBT的比較

使用SiC MOSFET的好處

隨著(zhù)工業(yè)領(lǐng)域里商品化和標準化進(jìn)展，越來(lái)越多的案例將基于器件選擇和最優(yōu)電路解決方案的高度通用參考設計用作有效的開(kāi)發(fā)設計方法。我們以?xún)蓚€(gè)參考設計方案為例，讓大家直觀(guān)感受使用SiC MOSFET的好處。

3相AC 400V輸入PFC轉換器

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的日益普及，對于高效、緊湊型的電力轉換系統的需求不斷提高?；跂|芝TW070J120B的3相400V交流輸入功率因數校正（PFC）電路的參考設計展示了如何使用SiC MOSFET提高電源效率。該設計實(shí)現了97％的功率轉換效率， 0.99或更高的功率因數。這是諸如電動(dòng)汽車(chē)（EV）充電站等大功率轉換器的PFC（柵極驅動(dòng)電路、傳感器電路、輸出功率開(kāi)關(guān)）的參考設計。該參考設計為功率轉換器PFC提供了一個(gè)很好的起點(diǎn)。它可用作原型設計和開(kāi)發(fā)應用程序的基礎，有助于發(fā)揮全部潛能。

5KW隔離式雙向DC-DC轉換器

基于東芝TW070J120B的5KW隔離式雙向DC-DC轉換器參考設計展示如何使用SiC MOSFET提高電源設計效率。該設計采用雙有源橋（DAB）法，是此類(lèi)大功率轉換器的最受歡迎拓撲之一。DAB拓撲的兩側均有全橋，以便通過(guò)調節左右側橋電路之間的相位差來(lái)控制功率方向和大小。這種高度通用的參考設計是開(kāi)發(fā)諸如電動(dòng)汽車(chē)充電站和太陽(yáng)能發(fā)電機逆變器等大功率轉換應用及原型設計的起點(diǎn)。

圖2 東芝TW070J120B的V_GSS，V_th與其他公司產(chǎn)品的比較

從兩個(gè)參考設計中我們可以發(fā)現，東芝TW070J120B的獨特優(yōu)勢帶來(lái)了系統性能的大幅提升。TW070J120B采用第2代內置碳化硅SBD芯片設計，具有高電壓、低輸入電容、低總柵電荷、低導通電阻、低二極管正向電壓、高柵閾值電壓等特性。TW070J120B主要有三個(gè)特點(diǎn)：VGSS額定值做到更寬的-10V~25V，便于應用在更多的設計中；Vth更高從而避免系統的誤動(dòng)作，其典型是5V而標稱(chēng)范圍是4.2~5.8V；內置的肖特基二極管降低了VF，有助于降低導通損耗，部分數據對比參見(jiàn)圖2。