【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)通常在用于電路設(shè)計(jì)時(shí)，能夠在不增加開(kāi)關(guān)損耗的情況下減小電流傳導(dǎo)期間的損耗，這是其一大優(yōu)勢(shì)。在各種電路保護(hù)應(yīng)用中，器件需要連續(xù)傳送電流，較低的傳導(dǎo)態(tài)損耗有利于使系統(tǒng)保持較高的效率，并將產(chǎn)生的廢熱降至最低。如果在這些應(yīng)用中需要放心地使用這些功率開(kāi)關(guān)，必須滿足各種類型的耐用性標(biāo)準(zhǔn)。
在本文中，我們將討論最先進(jìn)的低阻抗功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，介紹其關(guān)鍵特性和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。這些開(kāi)是由UnitedSiC開(kāi)發(fā)，采用堆疊式共源共柵（cascode）技術(shù)，其中將一個(gè)特殊設(shè)計(jì)，阻抗低于1mΩ的硅低壓MOSFET堆疊在一個(gè)阻抗低于10mΩ的650～1200V常開(kāi)型碳化硅（SiC） JFET之上。所形成的復(fù)合器件被稱為SiC FET，可以像標(biāo)準(zhǔn)硅器件一樣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是與硅IGBT、硅MOSFET和SiC MOSFET相比，具有許多優(yōu)勢(shì)。
什么是堆疊式共源共柵？
與包括SiC MOSFET、硅MOSFET和GaN HEMT在內(nèi)的其他可用功率晶體管相比，常開(kāi)型SiC JFET的單位芯片面積具有更低的導(dǎo)通阻抗。如圖1a所示，當(dāng)?shù)蛪篗OSFET堆疊在JFET上時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)圖1b的共源共柵架構(gòu)，就形成了低阻抗常關(guān)斷型開(kāi)關(guān)，稱為堆疊式共源共柵，其阻抗是低壓MOSFET和SiC JFET阻抗之和，根據(jù)所選擇的MOSFET和JFET的不同，其阻抗可能比JFET阻抗高5～20％。
圖2顯示了8.6mΩ，1200V堆疊芯片UF3SC12009Z的尺寸。由于在組裝之前將低壓MOSFET預(yù)堆疊在JFET上，因此該復(fù)合器件與標(biāo)準(zhǔn)組裝管芯連接和引線鍵合設(shè)備兼容。而且，很有意義的是，該器件適合用于電源模塊，并且還可通過(guò)TO247-4L封裝提供（器件名稱UF3SC12009K4S）。
表1列出了UnitedSiC最近推出的低RDS（ON）系列SiC FET的具體參數(shù)。請(qǐng)注意，在TO247封裝中，兩個(gè)阻抗最低器件的額定電流為鍵合線和引線限制。
導(dǎo)通狀態(tài)和熱特性
雖然產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)可以提供器件特性的詳細(xì)信息，但這里值得查看其中一些關(guān)鍵功能。器件的柵極具有保護(hù)ESD二極管，其在±26V時(shí)擊穿。
硅MOSFET的額定電壓為±20V，Vth為5V，并且沒(méi)有傳統(tǒng)SiC MOSFET通常遇到的磁滯或不穩(wěn)定性。它可以采用與現(xiàn)有SiC MOSFET、Si MOSFET或IGBT兼容的柵極電壓驅(qū)動(dòng)。負(fù)柵極偏壓的使用沒(méi)有限制，盡管給定5V Vth，但大多數(shù)應(yīng)用仍可通過(guò)簡(jiǎn)單的0～12V柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。
SiC FET RDS（ON）具有正溫度系數(shù)，如表1和圖3a所示，考慮到許多應(yīng)用需要將SiC FET器件并聯(lián)使用，該特性非常有用。
圖3a表明650V UF3SC065007K4S的RDS（ON）升高遠(yuǎn)低于硅超結(jié)MOSFET。顯然，在125～150℃時(shí)的傳導(dǎo)損耗甚至比可用的最佳超結(jié)硅MOSFET低2.5倍至4倍。如果將1200V器件與SiC MOSFET進(jìn)行比較，在125-150℃時(shí)它們RDS（ON）隨溫度的升高速率相差不大，具有相似的RDS（ON）（25℃）。從圖3（右側(cè)圖）還可以清楚地看出，UF3SC120009K4S在所有溫度下都呈現(xiàn)出在TO-247中具備最低的RDS（ON）FET，而且優(yōu)勢(shì)很大。
SiC FET導(dǎo)通狀態(tài)下的第三象限特性優(yōu)于SiC MOSFET，這是由于在JFET RDS（ON）串聯(lián)時(shí)，其壓降相當(dāng)于0.7V的硅結(jié)壓降。典型的第三象限特性如下述圖3b所示。
低VF也伴隨有出色的低QRR值（例如UF3SC120009K4S為1200-1300nC，UF3SC065007K4S為850nC）。
低RDS（ON）系列器件均采用燒結(jié)銀技術(shù)來(lái)提供最佳的熱性能，如表1（最大RTHJC柱）所示。此外，這有助于使MOSFET和SiC JFET都很薄，并且SiC的導(dǎo)熱率（3.7W / cm-K）與銅（3.85W/cm-K）相當(dāng)。這些器件的TJMAX額定值為175℃，但由于MOSFET VTH保持在3V以上，并且其泄漏很低（如圖2特性所示），因而它們可以在TJ> 200℃時(shí)正常工作，而不會(huì)出現(xiàn)熱失控情況。
開(kāi)關(guān)特性
表1顯示了SiC FET數(shù)據(jù)手冊(cè)中的低開(kāi)關(guān)損耗。EON和EOFF幾乎與溫度無(wú)關(guān)，并且都很低。 EON通常大于EOFF，這在大多數(shù)寬帶隙（WBG）器件中都是如此。因此，這些器件在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)電路中都很有用，特別是非常適用于電動(dòng)汽車逆變器。
從圖4a中的半橋開(kāi)關(guān)波形可以看出，SiC FET的體二極管恢復(fù)特性非常出色。
這里使用了一個(gè)小的RC緩沖器，以減少關(guān)斷電壓過(guò)沖，當(dāng)通過(guò)單個(gè)TO247-4L器件驅(qū)動(dòng)100A電流時(shí)這是必需的。低電壓MOSFET的貢獻(xiàn)約為100nC，主要來(lái)自其COSS，觀察到的其余QRR來(lái)自SiC JFET輸出電容的QOSS。由于LV MOSFET的存儲(chǔ)電荷很少，測(cè)量的QRR隨溫度變化很小（圖3b），觀察到的大多數(shù)QRR與器件電容充電有關(guān)。在650V時(shí)，UF3SC065007K4S的該值為850nC，這是其優(yōu)于任何超結(jié)MOSFET的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)所在。超級(jí)結(jié)MOSFET的QRR要高出10～50倍，并且在硬恢復(fù)下具有dV/dt限制。
由于20～50V/ns的正常開(kāi)關(guān)dV/dt對(duì)于某些逆變器應(yīng)用而言可能過(guò)快，因此圖4b顯示了用于在導(dǎo)通和關(guān)斷期間實(shí)現(xiàn)低dV/dt幾種技術(shù)中的一種（90%/10% dV/dt_導(dǎo)通=5.7V/ns, dV/dt_關(guān)斷=4.1V/ns）。僅使用RG值來(lái)實(shí)現(xiàn)這些低dV/dt會(huì)導(dǎo)致過(guò)長(zhǎng)的延遲時(shí)間，因此，除了RG之外，還可以使用外部CGD電容器來(lái)達(dá)到目標(biāo)dV/dt。
雪崩和短路特性
圖5顯示了UF3SC120009K4S在兩種情況下的典型雪崩特性。在低電流、高電感狀態(tài)下，這些器件可以處理>5.5J，額定值為550mJ。有趣的是，在較短的電感尖峰下，UF3SC120009K4S的峰值雪崩電流處理能力超過(guò)200A，這是SiC FET獨(dú)特的工作方式所致，其中JFET從自偏置狀態(tài)進(jìn)入工作模式，能夠安全地吸收雪崩電流。
圖6顯示了典型的短路測(cè)試波形。峰值短路電流為1200A，并且由于JFET決定了該峰值短路電流，電流會(huì)由于JFET的自發(fā)熱而迅速下降。SiC FET在重復(fù)性短路時(shí)不會(huì)降低性能，這是源自SiC JFET固有的牢固性。在這種短路事件期間，低電壓MOSFET上的電熱應(yīng)力可以忽略不計(jì)。
SiC FET的并聯(lián)工作特性
圖7顯示了并聯(lián)時(shí)SiC FET的典型特性。由于RDS（ON）的正溫度系數(shù)，導(dǎo)通狀態(tài)電流會(huì)達(dá)到一定平衡。開(kāi)關(guān)期間電流平衡的主要原因是由于開(kāi)關(guān)特性實(shí)際上是由SiC JFET而不是低電壓MOSFET控制。由于SiC JFET的VTH不會(huì)隨溫度而降低，因此不會(huì)招致由于VTH不平衡而導(dǎo)致一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通更快而關(guān)斷更慢。這也有助于使體二極管針對(duì)大部分工作電流具有正溫度系數(shù)，而對(duì)QRR則具有很小的溫度依賴性，或根本沒(méi)有。重要的是要注意，與所有開(kāi)爾文源器件一樣，在每個(gè)柵極返回路徑中增加一個(gè)阻抗也很重要。
應(yīng)用案例：電動(dòng)汽車逆變器中的低RDS（ON）SiC FET
鑒于低RDS（ON）SiC FET這些理想的特性，電動(dòng)汽車逆變器是非常適合于這些低RDS（ON）開(kāi)關(guān)的一個(gè)應(yīng)用。雖然電源模塊通常是電動(dòng)汽車逆變器模塊的首選，但這些器件有助于實(shí)現(xiàn)構(gòu)建相當(dāng)?shù)统杀镜碾妱?dòng)汽車逆變器。表2顯示了電動(dòng)汽車逆變器采用UF3SC120009K4S估算的損耗與基于最先進(jìn)IGBT模塊解決方案的對(duì)比。每個(gè)開(kāi)關(guān)使用6個(gè)并聯(lián)單元構(gòu)成的解決方案在200KW輸出時(shí)可以將工作損耗降低3倍，這對(duì)于增大車輛續(xù)航里程、擴(kuò)展電池容量和減輕逆變器的冷卻負(fù)擔(dān)都非常有利。另外，這些開(kāi)關(guān)可用于提高開(kāi)關(guān)頻率，有助于減輕逆變器的電流紋波，并提高電機(jī)效率和壽命，使得這些開(kāi)關(guān)成為高轉(zhuǎn)速電機(jī)逆變器的絕佳選擇。
應(yīng)用案例：電動(dòng)汽車快速充電器
針對(duì)350KW的電動(dòng)汽車快速充電器，必須向400V電池提供875A的電流，或向800V的電池提供一半的電流。典型的充電器電路可能需要在高頻變壓器的次級(jí)線圈上使用SiC二極管，以整流傳遞到電池的電壓。將SiC FET用作同步整流器可以將損耗降低至少2倍，圖8顯示了UF3SC065007K4S與100A SiC JBS二極管的傳導(dǎo)特性比較。如果大功率模塊中的每個(gè)器件都以100A電流（例如50％的占空比）使用，則二極管在125℃時(shí)會(huì)下降2V，損耗為100W，而SiC FET在125℃時(shí)可能會(huì)只有0.9V的電壓降低，導(dǎo)致每個(gè)FET僅損耗45W，相當(dāng)于改進(jìn)了2倍。
鑒于這些器件具有出色的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗，能夠在標(biāo)準(zhǔn)的主動(dòng)前端（PFC級(jí)）和DC-DC（相移全橋/ LLC）初級(jí)提供峰值效率，用戶可以減少并聯(lián)開(kāi)關(guān)的數(shù)量，簡(jiǎn)化組裝，甚至可以將單個(gè)充電器的功率從15KW提升到30-50KW。UF3SC065007K4S可以允許用戶借助分立器件將Vienna整流器推到新的功率水平，或者1200V器件可以提供一個(gè)同樣高效的簡(jiǎn)化兩電平架構(gòu)路徑。
應(yīng)用案例：光伏逆變器、焊接和UPS電路
這些器件具備傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的完美結(jié)合，可以非常有效地用于高性能兩電平、NPC和TNPC電路，以最大限度地提高逆變器效率，并突破采用分立器件可處理的功率水平極限。SiC FET柵極驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)捷性是控制成本的另一個(gè)重要因素。
圖9比較了在總線電壓為800V，頻率為12.5kHz、25kHz和50kHz的60KVA逆變器中由于半導(dǎo)體功率損耗而導(dǎo)致的效率估算。兩電平解決方案每個(gè)開(kāi)關(guān)位置使用一個(gè)UF3SC120009K4S，因此僅需要6個(gè)晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器。TNPC每相使用兩個(gè)UF3SC120009K4S和兩個(gè) UF3SC065007K4S，而NPC情況則每相使用四個(gè)UF3SC065007K4S。TNPC和NPC選項(xiàng)使用12個(gè)晶體管和12個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，即使在50kHz時(shí)也能提供高于99％的效率。與基于模塊的方法相比，可以節(jié)省大量成本。
應(yīng)用案例：固態(tài)斷路器
UnitedSiC展示了一個(gè)使用六個(gè)并聯(lián)UF3SC120009芯片構(gòu)成的2mΩ，1200V SOT227開(kāi)關(guān)，主要針對(duì)大電流固態(tài)功率控制器和斷路器應(yīng)用。但在較低電流下，這些低RDS（ON）FET可以單獨(dú)或并聯(lián)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。
雖然簡(jiǎn)單的負(fù)載開(kāi)關(guān)只需要低的導(dǎo)通阻抗和良好的熱性能，但對(duì)于某些應(yīng)用可能要求更多。例如在線性模式下使用此器件構(gòu)成電子負(fù)載，在這種模式下，特別是在600～1200V的高電壓下，JFET可以應(yīng)對(duì)大部分功率損耗。由于其VTH不會(huì)隨溫度下降，因此它不會(huì)在管芯內(nèi)形成熱點(diǎn)，因此可以在這些條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
圖10顯示了使用帶有高Rgoff阻抗的UF3SC120009K4S來(lái)穩(wěn)定運(yùn)行非常緩慢的關(guān)斷轉(zhuǎn)換。固態(tài)功率控制器中需要緩慢的導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換，以最大程度地減小切換到高電感線路時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。
結(jié)論
設(shè)計(jì)人員將會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些采用熟悉的TO247-4L封裝，具有出色的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)具備極低RDS（ON）的器件在構(gòu)建更高功率逆變器、充電器和固態(tài)斷路器時(shí)能夠提供非常高的價(jià)值。這些器件具備的高VTH值以及與硅和SiC柵極驅(qū)動(dòng)電壓的兼容性能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)這些器件由于其內(nèi)在的堅(jiān)固耐用，并且能夠并聯(lián)運(yùn)行，使設(shè)計(jì)人員可以采用這些器件來(lái)替換電源模塊。
圖1：（a）使用一個(gè)低壓硅MOSFET堆疊在高壓常開(kāi)型SiC JFET源極焊盤上方形成的共源共柵。（b）共源共柵SiC FET的最終電路配置。
圖2：8.6mΩ1200V SiC FET的尺寸。器件黃色部分是SiC JFET，藍(lán)色部分為堆疊在其上的低壓MOSFET。該器件連續(xù)運(yùn)行的額定工作溫度為175℃，但該器件的導(dǎo)通狀態(tài)和阻斷特性表明，在200℃條件下運(yùn)行仍可安全地處理過(guò)應(yīng)力情況，而不會(huì)發(fā)生過(guò)熱失控。
表1：添加到TO247產(chǎn)品組合中的低RDSSiC FET性能參數(shù)。最低RDS器件具有120A限制。 *包括5Ω，680pF緩沖器。
圖3a：UF3SC065007K4S的導(dǎo)通電阻與溫度的關(guān)系，以及相對(duì)于最佳可用超級(jí)結(jié)MOSFET的關(guān)系； UF3SC120009K4S針對(duì)最佳SiC MOSFET方案的比較。
圖3b：UF3SC120009K4S的第三象限（續(xù)流模式）導(dǎo)通狀態(tài)特性（左）和QRR（右）與溫度的關(guān)系。請(qǐng)注意，在100A時(shí)VGS = 0，-5V時(shí)的低導(dǎo)通壓降為1.65V，1200-1300nC的低QRR值幾乎與溫度無(wú)關(guān)。
圖4a：UnitedSiC雙脈沖演示板上的半橋開(kāi)關(guān)波形。RGON = RGOFF = 5Ω，并且在每個(gè)器件上都施加了680pF，5Ω的RC緩沖器。
圖4b：一種適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)低dV/dt波形的方法。開(kāi)關(guān)條件為75A/800V，帶有33Ω的RG和68pF的外部CGD電容器。在UnitedSiC雙脈沖演示板上測(cè)得半橋開(kāi)關(guān)波形。
圖5顯示了UF3SC120009K4S在兩種情況下的典型雪崩特性。在低電流，高電感狀態(tài)下，這些器件可以處理> 5.5J，額定值為550mJ。有趣的是，在較短的電感尖峰下，UF3SC120009K4S的峰值雪崩電流處理能力超過(guò)200A。這是由于SiC FET的獨(dú)特運(yùn)行所致，其中JFET從自偏置狀態(tài)進(jìn)入工作模式，能夠安全地吸收雪崩電流。
圖6：UF3SC120009K4S的典型短路測(cè)試波形。SiC JFET確定了1200A的峰值電流，該峰值電流由于自受熱而迅速下降。數(shù)據(jù)獲取條件：VDS = 600V，TSTART = 25℃。
圖7：兩個(gè)UF3SC120009K4S器件在VGS = +15/-5V時(shí)每個(gè)以60A（總共120A）的電流并聯(lián)開(kāi)關(guān)，每個(gè)柵極使用15Ω RG，在柵極返回路徑為1Ω。在高速開(kāi)關(guān)條件實(shí)現(xiàn)了出色的共享。
表2：基于IGBT的最新2級(jí)電動(dòng)汽車逆變器與具有各種低RDS（ON）SiC FET選項(xiàng)的功率損耗比較。在200KW輸出功率下，損耗可降低近3倍。
圖8：用UF3SC065007K4S在高電流下進(jìn)行同步整流。與使用SiC JBS二極管相比，可以避免產(chǎn)生大量的廢熱。現(xiàn)在，轉(zhuǎn)換器也可以是雙向。
這種變化允許轉(zhuǎn)換器進(jìn)行雙向設(shè)計(jì)。
圖9：對(duì)于2級(jí)，NPC和TNPC拓?fù)浼軜?gòu)，在3個(gè)工作頻率下具有800V DC鏈路的60KVA太陽(yáng)能逆變器的損耗評(píng)估，其中效率僅考慮了功率半導(dǎo)體的損耗。該功率水平之前通常是采用電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在可以通過(guò)UnitedSiC分立器件來(lái)完成。
圖10：使用UF3SC120009K4S管理電源控制器/負(fù)載開(kāi)關(guān)的緩慢開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。電阻性負(fù)載RL =9.4Ω，VDD = 800V，Tj = 25℃，DUT開(kāi)關(guān)條件：VGS = -5V/15V。
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