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本文重点介绍采用STSiC电源组件的安富利硅器件,以获取SiC信息。 半导体已经走了很长一段路,因为分钟人项目开始了,叛徒八人对更好的办公室空气过滤是否会提高其产量感到困惑。近年来,人们大力推动节能转换。 通过这种推动,RDSon值在低mΩ范围内的硅MOSFET成为低压器件的熟悉事物,但MOSFET的阻断电压越高,RDSon就越高。由于RDSon如此之高,这些器件仍然不适合高电压和高功率应用,处理此类应用的唯一方法是使用IGBT器件。碳化硅或简称SiC已被证明是一种材料,可以用来构建类似MOSFET的组件,使电路具有比以往IGBT更高的效率。如今,SiC受到了很多关注,不仅因为它的特性,还因为器件对IGBT的价格越来越有竞争力,制造商在系统层面引入了长期投资策略,以确保供应。 STPOWER产品组合 毫无疑问,进入SiC供应商榜首的制造商之一是意法半导体。意法半导体在过去几年中投入了大量研发资金,为市场提供全面的STPOWER产品组合,但在材料供应方面也投入了大量资金。2019年,意法半导体收购了瑞典SiC制造商Norstel AB,还与CREE达成了一项多年协议,并于2020年初与罗门子公司SiCrystal就SiC晶圆供应达成了协议,仅举出一些战略举措。这一战略对意法半导体来说非常有效,因此意法半导体成为快速增长的SiC市场的关键参与者。为了不只流口水,现在让我们讨论一下SiC器件。 碳化硅,不那么新的材料 第一次记录在案的SiC材料实验是在1849年左右,这种材料已经广泛用于防弹背心或磨料。IGBT的发明者之一早在1993年就讨论了与硅(Si)器件相比,不同SiC材料的优越性能。表1显示了[1]和[2]中讨论的不同材料的值。这些值对SiC材料做出了一些有趣的陈述。在4:8x1016cm-3的掺杂水平下,击穿电场强度Ec比Si好一个数量级以上。 更高的饱和漂移速度vSAT以及更高的带隙电压Eg也很突出。一个有趣的数字是λ,它说明了热导率。在这里,SiC材料的性能是Si的两倍多,这为封装和封装密度以及电流处理能力带来了新的可能性。然而,[1]是从1993年开始的,就在过去几年中,SiC在市场上越来越受欢迎,所以一定有一些障碍需要解决。障碍是适当的批量种植过程。对于Si,根据柴可拉斯基工艺的批量增长得到了很好的理解和建立。这种散装物的通常增长率为每小时几米。 然而,该工艺不适合SiC体积增长。对于碳化硅生产,必须使用称为物理蒸汽传输(PVT)的工艺。该过程在腔室顶部使用晶种,在其下方有SiC源材料,其加热温度约为2000 - 2500°C。 这种高温导致蒸汽从源材料上升到晶种,因此体积生长。不幸的是,这个过程不如柴可拉斯基工艺快,因此产生的生长速度是每小时几毫米,比硅生长慢得多。不幸的是,该过程仍然远非完美,材料内部的缺陷密度相对较高,这在[2]中有详细描述。 在表1中,还引用了GaN的材料特性。这种材料及其产生的产品目前也在市场上引起了一些轰动,但目前市场牵引力并不像SiC那么大,重点更多地放在高频应用中600V左右和以下的器件上。此类产品当然有一席之地,但在撰写本文时,SiC的产品种类并不存在,半导体供应商更关注SiC而不是GaN。这也是由于SiC的工艺在很多方面与Si工艺非常相似,并且机器可以用于两种材料,这显然是一个优势。 设备属性及其栅极驱动 现在我们已经详细阐述了SiC材料的特性,并了解到它在高能量应用中的参数优于Si,现在是时候仔细研究器件和应用了。如上所述,意法半导体是SiC市场的佼佼者之一,让我们来看看图1中的产品组合。 在查看该产品组合解决的电压范围时,很明显,SiC MOSFET与Si MOSFET竞争,并且存在与IGBT竞争的范围。在较低的电压范围内,Si MOSFET确实与SiC器件非常接近,但是,SiC器件可以提供更低的栅极电荷和更好的热规格。频谱的另一端是IGBT器件。很明显,由于SiC MOSFET的低RDSon,这些器件无疑优于IGBT,更不用说更低的栅极电荷了。 当以0V关闭SiC MOSFET时,必须考虑一种效应,即Si MOSFET中已知的米勒效应。当器件用于桥式配置时,这种影响可能会出现问题,尤其是当一个 SiC MOSFET 导通,而第二个 SiC MOSFET 漏极出现浪涌并因寄生效应意外打开时。这种导通会产生从高压到地的短路,从而损坏电路。 如何驱动碳化硅场效应管 考虑到卓越的材料性能,这个问题提出了如何控制这些部件才能发挥最佳作用。从我们所知道的事情开始,Si MOSFET需要一个正栅极电压,建议在12V左右甚至更低,负栅极电压应该是接地电位。IGBT具有不对称的栅极驱动电压,这意味着正栅极电压约为15V,负电压约为-5V。 图 2:SCT30N120 输出特性 (Tj = 25 °C) SiC MOSFET 基本上与 Si MOSFET 或 IGBT 的电压电平一起工作,但不是最佳参数。理想情况下,SiC MOSFET 在其栅极处获得 20V,以便在最小 RDSon 时导通。 当以0V关闭SiC MOSFET时,必须考虑一种效应,即Si MOSFET中已知的米勒效应。当器件用于桥式配置时,这种影响可能会出现问题,尤其是当一个 SiC MOSFET 导通,而第二个 SiC MOSFET 漏极出现浪涌并因寄生效应意外打开时。这种导通会产生从高压到地的短路,从而损坏电路。 然而,SiC器件可以在比前面提到的20V更低的栅极电压下工作,但输出特性变化很大,如图2所示。可以得出结论,较低的栅极电压会导致较低的整体系统效率。优化SiC MOSFET栅极驱动电路以实现具有足够高栅极电压的低RDSon,只是优化损耗工作量的一半。开关损耗是另一个可以优化的部分,如[3]所示。为了驱动 [3] 中的 SiC MOSFET,使用了 STGAPxx MOSFET 驱动器。STGAPxx MOSFET驱动器有两种不同的规格,如图3和图4所示。图3所示,该原理图显示了使用双极性栅极驱动器电源时如何实现SiC MOSFET的栅极驱动。如上所述,这种双极性栅极驱动电压不是强制性的,但它有助于最小化米勒效应,并产生更好的可控开关。因此,图4显示了具有有源米勒箝位的原理图。这使设计人员能够获得单极性栅极驱动器电源。 图 3:具有半桥配置和独立栅极驱动路径的 STGAP2SICS。 图 4:STGAP2SICS 采用半桥配置和带附加米勒钳位的组合栅极驱动路径。 取自[3]的图5和图6显示了优化栅极驱动电路中的电阻时在能量损耗方面的差异。具有10Ω或1Ω之间的差异是可以消除的250μJ损耗。它还指出,开关损耗不是对称的,这意味着接通损耗与关断损耗不同。还值得注意的是,如果需要更长的关断时间以获得更好的EMI性能,则由于斜率较低,因此不会像接通时那样严重地影响效率。 在比较IGBT和SiC时,还有一件事需要指出。SiC MOSFET与IGBT的一个主要区别在于器件何时关闭。要完全关闭,IGBT需要彻底清除其少数载流子。当IGBT已经关闭并且集电极和发射极两端的电压达到最大值时,最后一次传输就会发生,因此它对IGBT的开关损耗有巨大的贡献。SiC MOSFET不存在这种称为尾电流的效应,并且可以以更少的能量损失完成关断。 结论 本文讨论的参数和特性揭示了电力电子设计的某些方面。当前和未来的电子设计,如电池充电器、电机和太阳能逆变器,不仅可以从这些新器件中受益匪浅,不仅在效率上,而且在尺寸上,可实现高功率、高温操作。但是,不仅器件的特性让人对新设计充满好奇,也是意法半导体的战略。碳化硅(SiC)威廉希尔官方网站 是意法半导体(STMicroelectronics)投资宽带隙(WBG)威廉希尔官方网站 (包括氮化镓(GaN))战略的一部分。该公司为这项威廉希尔官方网站 投入了大量资源,它承诺了一个光明的未来,甚至性能更好的SiC器件,我们都可以对此感到好奇和期待。 |
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