與CoolMOS驅(qū)動設(shè)計中相同,CoolSiC MOSFET也可以使用EiceDRIVER驅(qū)動集成電路。但是,應(yīng)注意的是,由于傳輸特性的差異(ID與VGS),CoolSiC這個器件的柵極電壓(VGS)應(yīng)以18V驅(qū)動,而不是CoolMOS使用的典型值12V。
如何利用SiC器件在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中的性能優(yōu)勢?
發(fā)布時間:2020-12-25 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體行業(yè)在過去的幾十年里,已經(jīng)采取了許多措施來改善基于硅MOSFET (parasitic parameters),以滿足開關(guān)轉(zhuǎn)換器(開關(guān)電源)設(shè)計人員的需求。行業(yè)效率標(biāo)準(zhǔn)以及市場對效率技術(shù)需求的雙重作用,導(dǎo)致了對于可用于構(gòu)建更高效和更緊湊電源解決方案的半導(dǎo)體產(chǎn)品擁有巨大的需求。
半導(dǎo)體行業(yè)在過去的幾十年里,已經(jīng)采取了許多措施來改善基于硅MOSFET (parasitic parameters),以滿足開關(guān)轉(zhuǎn)換器(開關(guān)電源)設(shè)計人員的需求。行業(yè)效率標(biāo)準(zhǔn)以及市場對效率技術(shù)需求的雙重作用,導(dǎo)致了對于可用于構(gòu)建更高效和更緊湊電源解決方案的半導(dǎo)體產(chǎn)品擁有巨大的需求。
這個需求寬帶隙(WBG)技術(shù)器件應(yīng)運而生, 如碳化硅場效應(yīng)管(SiC MOSFET) 。它們能夠提供設(shè)計人員要求的更低的寄生參數(shù)滿足開關(guān)電源(SMPS)的設(shè)計要求。
650V 碳化硅場效應(yīng)管器件在推出之后,可以補充之前只有1200V碳化硅場效應(yīng)器件設(shè)計需求,碳化硅場效應(yīng)管(SiC MOSFET)由于能夠?qū)崿F(xiàn)硅場效應(yīng)管(Si MOSFET)以前從未考慮過的應(yīng)用而變得更具有吸引力。
碳化硅MOSFET越來越多用于千瓦級功率水平應(yīng)用,涵蓋如通電源,和服務(wù)器電源,和快速增長的電動汽車電池充電器市場等領(lǐng)域。
碳化硅MOSFET之所以有如此的大吸引力,在于與它們具有比硅器件更出眾的可靠性,在持續(xù)使用內(nèi)部體二極管的連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)功率因數(shù)校正(PFC)設(shè)計, 例如圖騰功率因子校正器的硬開關(guān)拓撲中,碳化硅MOSFET可以得到充分利用。
此外,碳化硅MOSFET也可應(yīng)用更高的開關(guān)頻率,因而可以實現(xiàn)體積更小,更加緊湊的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計。
沒有免費的午餐
當(dāng)然,世上是沒有免費午餐的,在內(nèi)部體二極管和寄生參數(shù)方面,碳化硅MOSFET比硅 MOSFET具有更多的優(yōu)勢,但代價是在某些方面參數(shù)碳化硅MOSFET性能比較差。
這就要求設(shè)計人員需要花時間充分了解碳化硅MOSFET的特性和功能,并考慮如何向新拓撲架構(gòu)過渡。有一點非常明顯:碳化硅MOSFET并不是簡單地替換硅MOSFET,如果這樣使用碳化硅MOSFET可能會導(dǎo)致效率下降而不是升高。
例如,碳化硅CoolSiC器件的體二極管正向電壓(VF)是硅CoolMOS器件的四倍。如果不對電路進行相應(yīng)調(diào)整,很有機會在諧振LLC轉(zhuǎn)換器上在輕負載時效率可能下降多達0.5%。設(shè)計人員還應(yīng)注意,如果要在CCM圖騰PFC設(shè)計中獲得最高的峰值效率,則必須通過打開碳化硅MOSFET溝道而不是只通過體二極管進行升壓。
另一個要考慮的因素是器件結(jié)殼熱阻,這方面CoolMOS稍有優(yōu)勢,由于CoolSiC芯片尺寸較小,在相同封裝情況下,CoolSiC熱阻為1.0K/W(IMW65R048M1H),而CoolMOS則為0.8K/W(IPW60R070CFD7),但實證明這些熱阻的差異在實際設(shè)計中可以忽略。
在工作溫度范圍內(nèi)導(dǎo)通電阻與硅器件比較
從器件參數(shù)上,設(shè)計人員可以快速明白碳化硅MOSFET其中好處之一,這個參數(shù)是導(dǎo)通電阻RDS(on)。
在芯片溫度100°C時,CoolSiC有較低的倍增系數(shù)(multiplication factor,K),約為1.13,而CoolMOS則為1.67,這意味著在芯片溫度100°C時的工作溫度下,一個84mΩ的CoolSiC器件具有與57mΩ CoolMOS器件相同的RDS(on)。
這也清楚地表明,僅僅比較數(shù)據(jù)手冊中硅MOSFET和碳化硅MOSFET的 RDS(on)并不能反應(yīng)實際導(dǎo)通損耗的問題。在芯片溫度低范圍,CoolSiC由于其較低的斜率倍增系數(shù)和對溫度的低依賴性,讓CoolSiC具有更高的擊穿電壓V(BR)DSS,因此比硅器件具有更大優(yōu)勢,這對于那些位于室外或需要在低溫環(huán)境中啟動的設(shè)備非常有幫助。
圖1:在芯片溫度25°C工作溫度兩種器件導(dǎo)通電阻基本相當(dāng), 溫度對CoolSiC RDS(on)的影響比CoolMOS要低
與CoolMOS驅(qū)動設(shè)計中相同,CoolSiC MOSFET也可以使用EiceDRIVER驅(qū)動集成電路。但是,應(yīng)注意的是,由于傳輸特性的差異(ID與VGS),CoolSiC這個器件的柵極電壓(VGS)應(yīng)以18V驅(qū)動,而不是CoolMOS使用的典型值12V。
這樣才可提供CoolSiC數(shù)據(jù)表中定義的RDS(on),如驅(qū)動CoolSiC電壓限制為15V時它的導(dǎo)通電阻值高出18%。
如果設(shè)計CoolSiC電路時允許選擇新的驅(qū)動集成電路器,則值得考慮具有較高欠壓鎖定(約13V)的驅(qū)動集成電路,以確保CoolSiC 和系統(tǒng)可以在任何異常工作條件下安全運行。
碳化硅MOSFET的另一個優(yōu)點是在25°C至150°C溫度之間,對傳輸特性的改變非常有限。
圖2:在25°C(左)和150°C(右)的傳輸特性曲線表明,碳化硅MOSFET 受到的影響明顯低于硅MOSFET。
避免負柵極電壓
需要注意的一個問題是要確保不允許柵極-源極關(guān)斷電壓(VGS)變得負值過大。理想情況下,不應(yīng)施加負的關(guān)斷電壓,但所以在實際設(shè)計電路時,設(shè)計工程師應(yīng)在原型制作時進行檢查,將電路電壓振蕩降低不要讓振蕩電壓影響柵極-源極關(guān)斷電壓變成負值。
當(dāng)VGS低于-2V,且持續(xù)時間超過15ns,這樣可能出現(xiàn)柵極閾值電壓(VGS(th))漂移,導(dǎo)致RDS(on)增大,以及整個應(yīng)用生命周期內(nèi)系統(tǒng)效率降低。負VGS出現(xiàn)的一個原因是由關(guān)斷時驅(qū)動集成電路和碳化硅MOSFET之間電路板寄生電感制造的柵源極電壓振蕩,這振蕩是由于碳化硅MOSFET關(guān)斷時電路板寄生電感有高速關(guān)斷電流(di/dt)通過所致。
第二個常見原因是導(dǎo)通時由電容驅(qū)動的柵極-源極電壓,其源于半橋配置中第二個碳化硅MOSFET的高dv/dt開關(guān)。
硅MOSFET設(shè)計中在此類問題一般可以通過柵極驅(qū)動器和硅MOSFET柵極之間插入一個高阻值電阻,或找到一種減慢di/dt和dv/dt的方式來解決。不幸的是,這些方法會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加和系統(tǒng)效率降低。而在使用碳化硅MOSFET時,只需在柵極和源極之間增加一個二極管電壓鉗位即可解決這一難題。
在碳化硅MOSFET的設(shè)計中,如果該振蕩問題是純電感性,降低振蕩方法是將碳化硅MOSFET源極分為電源極和驅(qū)動器源極,鉗位二極管連接碳化硅MOSFET柵極和驅(qū)動器源極之間。
當(dāng)然首選方法并使用開爾文源極(Kelvin source)封裝的碳化硅MOSFET,特別在大電流應(yīng)用中。
例如,在3.3kW 連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)圖騰PFC中,關(guān)斷電流可以達到25A至30A。CoolSiC IMZA65R048M1H的開通損耗EON比不使用開爾文源極封裝的相同RDS(on)的 TO-247封裝碳化硅MOSFET, IMWA65R048M1H能夠降低三倍。
圖3:為避免碳化硅MOSFET的柵極電壓變?yōu)樨撝?,?yīng)考慮使用二極管鉗位、或獨立的端和開爾文源極。
實現(xiàn)超過99%的效率
在漏極-源極電壓VDS高于50V時,CoolSiC MOSFET輸出電容COSS也比相對應(yīng)的CoolMOS MOSFET更高,CoolSiC MOSFET相對較大輸出電容COSS實際上可以降低關(guān)閉期間的過沖水平。
對于這兩種器件技術(shù),峰值VDS, max設(shè)置為數(shù)據(jù)表極限的80%。CoolMOS需要一個高柵極電阻來滿足要求,這種方法導(dǎo)致上面已經(jīng)提到的效率降低,但CoolSiC設(shè)計則可以不使用這種電阻方案,因而進一步簡化了設(shè)計和布局以及它們的應(yīng)用場景。這種好處取決于設(shè)計人員能否降低電路板寄生參數(shù)的實現(xiàn)。
碳化硅MOSFET的QOSS特性也有利于硬開關(guān)和諧振開關(guān)拓撲架構(gòu)。與硅MOSFET相比,碳化硅MOSFET的電荷QOSS降低了75%,因此所需的放電時間更少,這會降低CCM圖騰柱PFC的Eon損耗。
而且,雖然CoolMOS CFD/CFD7系列的Qrr比上一代 CoolMOS CFD改進了十倍,但CoolSiC的Qrr參數(shù)再比CoolMOS CFD/CFD7的 Qrr又降低了五到十倍。
這意味著,通過使用48mΩCoolSiC器件,對于3.3kW CCM圖騰PFC而言,可以實現(xiàn)99%以上的效率,而在Dual Boost PFC設(shè)計中使用CoolMOS的最佳效率只能達到98.85%的峰值。
而且,盡管碳化硅MOSFET成本較高,但如果比較兩種設(shè)計方法的物料清單(BOM),結(jié)果是碳化硅MOSFETSiC解決方案物料清單相對的減少,可提供更具成本競爭力,而效率高達99%的解決方案。
圖4:即便是107mΩ的CoolSiC CCM圖騰PFC其效率也接近99%,多數(shù)情況下性能都可超過最佳的CoolMOS Dual Boost PFC方案。
總結(jié)
多年來,盡管硅MOSFET的技術(shù)進步使其在寄生參數(shù)方面取得了顯著改善,但硅的基本物理學(xué)特性仍然在阻礙著其性能的進一步提高,這限制了創(chuàng)新且又簡單的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用,因而也阻礙了可持續(xù)綠色高效率的拓撲發(fā)展。
本文討論的碳化硅MOSFET技術(shù)在應(yīng)用中同樣也存在挑戰(zhàn),并非所有碳化硅MOSFET寄生特性都比硅MOSFET為好。但是,這種技術(shù)確實能夠提供許多優(yōu)勢,加上在硬開關(guān)應(yīng)用中的牢固性,使其值得在更高效電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中考慮采用。
650V CoolSiC系列的推出令這些優(yōu)勢更加明顯,從而使碳化硅MOSFET技術(shù)在將功率轉(zhuǎn)換效率推向更高極限的同時,在經(jīng)濟方面也更加切實可行。
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