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    SiC碳化硅MOSFET在直流充电桩电源模块中的应用

    放大字体  缩小字体 发布日期:2023-11-16 21:15:55    浏览次数:331    评论:0
    导读

    BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET在直流充电桩电源模块中的应用BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET两大主要特色:1.出类拔萃的可靠性:相对竞品较为充足的设计余量来确保大规模制造时的器件可靠性。BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列击穿电压BV值实测在1700V左右,高于市面主流竞品,击穿电压BV设计余量可以抵御碳化硅

    BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET在直流充电桩电源模块中的应用



    BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET两大主要特色:


    1.出类拔萃的可靠性:相对竞品较为充足的设计余量来确保大规模制造时的器件可靠性。

    BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列击穿电压BV值实测在1700V左右,高于市面主流竞品,击穿电压BV设计余量可以抵御碳化硅衬底外延材料及晶圆流片制程的摆动,能够确保大批量制造时的器件可靠性,这是BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET最关键的品质. 


    2.可圈可点的器件性能:同规格较小的Crss带来出色的开关性能。

    BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET反向传输电容Crss 在市面主流竞品中是比较小的,带来关断损耗Eoff也是市面主流产品中非常出色的,优于部分海外竞品,特别适用于LLC应用.


    Ciss:输入电容(Ciss=Cgd+Cgs) ⇒栅极-漏极和栅极-源极电容之和:它影响延迟时间;Ciss越大,延迟时间越长。BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET 优于主流竞品。

    Crss:反向传输电容(Crss=Cgd) ⇒栅极-漏极电容:Crss越小,漏极电流上升特性越好,这有利于MOSFET的损耗,在开关过程中对切换时间起决定作用,高速驱动需要低Crss。

    Coss:输出电容(Coss=Cgd+Cds)⇒栅极-漏极和漏极-源极电容之和:它影响关断特性和轻载时的损耗。如果Coss较大,关断dv/dt减小,这有利于噪声。但轻载时的损耗增加。


    基半B2M第二代碳化硅MOSFET器件主要特色:

    • 比导通电阻降低40%左右

    • Qg降低了60%左右

    • 开关损耗降低了约30%

    • 降低Coss参数,更适合软开关

    • 降低Crss,及提高Ciss/Crss比值,降低器件在串扰行为下误导通风险

    • 最大工作结温175℃• HTRB、 HTGB+、 HTGB-可靠性按结温Tj=175℃通过测试

    • 优化栅氧工艺,提高可靠性

    • 高可靠性钝化工艺

    • 优化终端环设计,降低高温漏电流

    • AEC-Q101


    传统的直流充电桩拓扑电路一般是三相交流380V输入电压经过PFC维也纳 AC/DC电路后,得到直流母线电压,然后经过全桥LLC DC/DC电路,输出 200V到1000V高压给新能源汽车充电使用。其中PFC维也纳电路AC/DC的开关频率 40kHz 左右,一般用使用 650V的超结MOSFET或者 650V 的IGBT,劣势是器件多,硬件设计复杂,效率低,失效率高。新一代直流充电桩拓扑电路会把原来的PFC维也纳整流升级为采用第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的三相全桥PFC整流。这样将大大减少功率器件数量,简化控制电路的复杂性,同时通过提高开关频率来降低电感的感量,尺寸和成本。DC/DC全桥LLC部分,升级为采用第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的DC/DC电路,可以从原来的两组串联二电平全桥LLC或三电平全桥移相ZVS或三电平全桥LLC或两组串联二电平全桥移相优化为一组两电平LLC。这样可以极大简化拓扑电路,减少元器件的数量,控制和驱动更加简单。基于第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的高频特性,可以提高LLC电路的开关频率,从而减少磁性器件的尺寸和成本。由于LLC电路是软开关工作模式,损耗集中在开关管的导通损耗上和关断损耗上,第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z Eoff相对竞品更小,在高频LLC应用优势明显,由于拓扑结构的原因,流过LLC中SiC碳化硅MOSFET的电流有效值是Si MOSFET电流的一半,所以最终导通损耗大大减小。新一代采用SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的直流充电桩拓扑电路可以提升0.3~0.5%左右的效率。


    LLC,移相全桥等应用实现ZVS主要和Coss、关断速度和体二极管压降等参数有关。Coss决定所需谐振电感储能的大小,值越大越难实现ZVS;更快的关断速度可以减少对储能电感能量的消耗,影响体二极管的续流维持时间或者开关两端电压能达到的最低值;因为续流期间的主要损耗为体二极管的导通损耗.在这些参数方面,B2M第二代碳化硅MOSFET跟竞品比,B2M第二代碳化硅MOSFET的Coss更小,需要的死区时间初始电流小;B2M第二代碳化硅MOSFET抗侧向电流触发寄生BJT的能力会强一些。B2M第二代碳化硅MOSFET体二极管的Vf和trr 比竞品有较多优势,能减少LLC里面Q2的硬关断的风险。综合来看,比起竞品,LLC,移相全桥应用中B2M第二代碳化硅MOSFET表现会更好.


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    碳化硅MOSFET具有优秀的高频、高压、高温性能,是目前电力电子领域最受关注的宽禁带功率半导体器件。在电力电子系统中应用碳化硅MOSFET器件替代传统硅IGBT器件,可提高功率回路开关频率,提升系统效率及功率密度,降低系统综合成本。


    基半第二代碳化硅MOSFET系列新品基于6英寸晶圆平台进行开发,比上一代产品在比导通电阻、开关损耗以及可靠性等方面表现更为出色。在原有TO-247-3、TO-247-4封装的产品基础上,基半还推出了带有辅助源极的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封装的碳化硅MOSFET器件,以更好地满足客户需求。


    基半第二代碳化硅MOSFET亮点

    更低比导通电阻:第二代碳化硅MOSFET通过综合优化芯片设计方案,比导通电阻降低约40%,产品性能显著提升。


    更低器件开关损耗:第二代碳化硅MOSFET器件Qg降低了约60%,开关损耗降低了约30%。反向传输电容Crss降低,提高器件的抗干扰能力,降低器件在串扰行为下误导通的风险。


    更高可靠性:第二代碳化硅MOSFET通过更高标准的HTGB、HTRB和H3TRB可靠性考核,产品可靠性表现出色。


    更高工作结温:第二代碳化硅MOSFET工作结温达到175°C,提高器件高温工作能力。


    碳化硅 (SiC) MOSFET出色的材料特性使得能够设计快速开关单极兴器件,替代升级双极性 IGBT  (绝缘栅双极晶体管)开关。碳化硅 (SiC) MOSFET替代IGBT可以得到更高的效率、更高的开关频率、更少的散热和节省空间——这些好处反过来也降低了总体系统成本。SiC-MOSFET的Vd-Id特性的导通电阻特性呈线性变化,在低电流时SiC-MOSFET比IGBT具有优势。

    与IGBT相比,SiC-MOSFET的开关损耗可以大幅降低。采用硅 IGBT 的电力电子装置有时不得不使用三电平拓扑来优化效率。当改用碳化硅 (SiC) MOSFET时,可以使用简单的两级拓扑。因此所需的功率元件数量实际上减少了一半。这不仅可以降低成本,还可以减少可能发生故障的组件数量。SiC MOSFET 不断改进,并越来越多地加速替代以 Si IGBT 为主的应用。 SiC MOSFET 几乎可用于目前使用 Si IGBT 的任何需要更高效率和更高工作频率的应用。这些应用范围广泛,从太阳能和风能逆变器和电机驱动到感应加热系统和高压 DC/DC 转换器。


    随着自动化制造、电动汽车、先进建筑系统和智能电器等行业的发展,对增强这些机电设备的控制、效率和功能的需求也在增长。碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破重新定义了历史上使用硅 IGBT (Si IGBT) 进行功率逆变的电动机的功能。这项创新扩展了几乎每个行业的电机驱动应用的能力。Si IGBT 因其高电流处理能力、快速开关速度和低成本而历来用于直流至交流电机驱动应用。最重要的是,Si IGBT 具有高额定电压、低电压降、低电导损耗和热阻抗,使其成为制造系统等高功率电机驱动应用的明显选择。然而,Si IGBT 的一个显着缺点是它们非常容易受到热失控的影响。当器件温度不受控制地升高时,就会发生热失控,导致器件发生故障并最终失效。在高电流、电压和工作条件常见的电机驱动应用中,例如电动汽车或制造业,热失控可能是一个重大的设计风险。


    电力电子转换器提高开关频率一直是研发索所追求的方向,因为相关组件(特别是磁性元件)可以更小,从而产生小型化优势并节省成本。然而,所有器件的开关损耗都与频率成正比。IGBT 由于“拖尾电流”以及较高的门极电容的充电/放电造成的功率损耗,IGBT 很少在 20KHz 以上运行。SiC MOSFET在更快的开关速度和更低的功率损耗方面提供了巨大的优势。IGBT 经过多年的高度改进,使得实现性能显着改进变得越来越具有挑战性。例如,很难降低总体功率损耗,因为在传统的 IGBT 设计中,降低传导损耗通常会导致开关损耗增加。


    作为应对这一设计挑战的解决方案,SiC MOSFET 具有更强的抗热失控能力。碳化硅 的导热性更好,可以实现更好的设备级散热和稳定的工作温度。SiC MOSFET 更适合较温暖的环境条件空间,例如汽车和工业应用。此外,鉴于其导热性,SiC MOSFET 可以消除对额外冷却系统的需求,从而有可能减小总体系统尺寸并降低系统成本。


    由于 SiC MOSFET 的工作开关频率比 Si IGBT 高得多,因此它们非常适合需要精确电机控制的应用。高开关频率在自动化制造中至关重要,高精度伺服电机用于工具臂控制、精密焊接和精确物体放置。此外,与 Si IGBT 电机驱动器系统相比,SiC MOSFET 的一个显着优势是它们能够嵌入电机组件中,电机控制器和逆变器嵌入与电机相同的外壳内。使用SiC MOSFET 作为变频器或者伺服驱动功率开关器件的另一个优点是,由于 MOSFET 的线性损耗与负载电流的关系,它可以在所有功率级别保持效率曲线“平坦”。SiC MOSFET变频伺服驱动器的栅极电阻的选择是为了首先避免使用外部输出滤波器,以保护电机免受高 dv/dt 的影响(只有电机电缆长度才会衰减 dv/dt)。 SiC MOSFET变频伺服驱动器相较于IGBT变频伺服驱动器在高开关频率下的巨大效率优越性.


    尽管 SiC MOSFET 本身成本较高,但某些应用可能会看到整个电机驱动器系统的价格下降(通过减少布线、无源元件、热管理等),并且与 Si IGBT 系统相比总体上可能更便宜。这种成本节省可能需要在两个应用系统之间进行复杂的设计和成本研究分析,但可能会提高效率并节省成本。基于 SiC 的逆变器使电压高达 800 V 的电气系统能够显着延长电动汽车续航里程并将充电时间缩短一半。


    碳化硅 (SiC) MOSFET功率半导体技术代表了电力电子领域的根本性变革。SiC MOSFET 的价格比 Si MOSFET 或 Si IGBT 贵。然而,在评估碳化硅 (SiC) MOSFET提供的整体电力电子系统价值时,需要考虑整个电力电子系统和节能潜力。需要仔细考虑以下电力电子系统节省: 第一降低无源元件成本,无源功率元件的成本在总体BOM成本中占主导地位。提高开关频率提供了一种减小这些器件的尺寸和成本的方法。 第二降低散热要求,使用碳化硅 (SiC) MOSFET可显着降低散热器温度高达 50%,从而缩小散热器尺寸和/或消除风扇,从而降低设备生命周期内的能源成本。 通常的诱惑是在计算价值主张时仅考虑系统的组件和制造成本。在考虑碳化硅 (SiC) MOSFET的在电力电子系统里的价值时,考虑节能非常重要。在电力电子设备的整个生命周期内节省能源成本是碳化硅 (SiC) MOSFET价值主张的一个重要部分。


     
    (文/小编)
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