在开关电源设想中充实操纵碳化硅的机能上风-KIA MOS管

在曩昔的几十年中，半导体行业已接纳了很多办法来改良基于硅MOSFET(parasitic parameters)，以知足开关转换器(开关电源)设想职员的须要。

行业效力规范和市场对效力手艺须要的两重感化，致使了对可用于构建更高效和更松散电源处理计划的半导体产物具备庞大的须要。这个须要宽带隙(WBG)手艺器件应运而生，如碳化硅场效应管(SiC MOSFET) 。

它们可以或许或许或许或许供给设想职员请求的更低的寄生参数知足开关电源(SMPS)的设想请求。650V碳化硅场效应管器件在推出以后，可以或许或许或许补充之前只要1200V碳化硅场效应器件设想须要，碳化硅场效应管(SiC MOSFET)因为可以或许或许或许或许完成硅场效应管(Si MOSFET)之前从未斟酌过的操纵而变得更具备吸收力。

碳化硅MOSFET愈来愈多用于千瓦级功率程度操纵，涵盖如通电源，和办事器电源，和疾速增添的电动汽车电池充电器市场等范畴。

碳化硅MOSFET之以是有如此的大吸收力，在于与它们具备比硅器件更出众的靠得住性，在延续操纵外部体二极管的延续导通形式(CCM)功率因数校订(PFC)设想，比方图腾功率因数校订器的硬开关拓扑中，碳化硅MOSFET可以或许或许或许获得充实操纵。另外，碳化硅MOSFET也可操纵更高的开关频次，是以可以或许或许或许完成体积更小，加倍松散的电源转换器设想。

在外部体二极管和寄生参数方面，碳化硅MOSFET比硅MOSFET具备更多的上风，但价格是在某些方面参数碳化硅MOSFET机能比拟差。

这就请求设想职员须要花时候充实领会碳化硅MOSFET的特征和功效，并斟酌若何向新拓扑架构过渡。有一点很是较着：碳化硅 MOSFET 并不是简略地替换硅MOSFET，若是如许操纵碳化硅MOSFET可以或许或许会致使效力降落而不是下降。

比方，碳化硅CoolSiC?器件的体二极管正向电压(VF)是硅CoolMOS?器件的四倍。若是错误电路停止响应调剂，很无机遇在谐振LLC转换器上在轻负载时效力可以或许或许降落多达0.5%。设想职员还应注重，若是要在CCM图腾PFC设想中获得最高的峰值效力，则必须经由过程翻开碳化硅MOSFET沟道而不是只经由过程体二极管停止升压。

另外一个要斟酌的身分是器件结壳热阻，这方面CoolMOS?稍有上风，因为CoolSiC?芯片尺寸较小，在不异封装环境下，CoolSiC?热阻为1.0K/W(IMW65R048M1H)，而CoolMOS?则为 0.8K/W(IPW60R070CFD7)，但实证实这些热阻的差别在现实设想中可以或许或许或许疏忽。

在任务温度规模内导通电阻与硅器件比拟

从器件参数上，设想职员可以或许或许或许疾速大白碳化硅MOSFET此中益处之一，这个个参数是导通电阻 RDS(on)。

在芯片温度100°C 时，CoolSiC?有较低的倍增系数(multiplication factor，K)，约为 1.13，而 CoolMOS?则为1.67，这象征着在芯片温度100°C时的任务温度下，一个84mΩ的CoolSiC?器件具备与57mΩ CoolMOS?器件不异的RDS(on)。

这也清晰地标明，仅仅比拟数据手册中硅MOSFET和碳化硅MOSFET的 RDS(on)并不能反映现实导通消耗的题目。

在芯片温度低规模，CoolSiC?因为其较低的斜率倍增系数和对温度的低依靠性，让CoolSiC?具备更高的击穿电压V(BR)DSS，是以比硅器件具备更大上风，这对那些位于室外或须要在高温环境中启动的装备很是有赞助。

图1：在芯片温度25°C任务温度两种器件导通电阻根基相称，温度对CoolSiC?RDS(on)的影响比CoolMOS?要低

与CoolMOS?驱动设想中不异，CoolSiC? MOSFET也可以或许或许或许操纵EiceDRIVER?驱动集成电路。

可是，应注重的是，因为传输特征的差别(ID 与 VGS)，CoolSiC?这个器件的栅极电压(VGS)应以18V驱动，而不是CoolMOS?操纵的典范值12V。如许才可供给CoolSiC?数据表中界说的RDS(on)，如驱动CoolSiC?电压限定为15V时它的导通电阻值超出跨越18%。

若是设想CoolSiC?电路时许可挑选新的驱动集成电路器，则值得斟酌具备较高欠压锁定(约13V)的驱动集成电路，以确保CoolSiC?和体系可以或许或许或许在任何很是任务前提下宁静运转。 碳化硅MOSFET的另外一个长处是在25°C至150°C温度之间，对传输特征的转变很是无限。

图2：在25°C(左)和150°C(右)的传输特征曲线标明，碳化硅MOSFET遭到的影响较着低于硅MOSFET。

防止负栅极电压

须要注重的一个题目是要确保不许可栅极 - 源极关断电压(VGS)变得负值过大。

抱负环境下，不应施加负的关断电压，但以是在现实设想电路时，设想工程师应在原型建造时停止查抄，将电路电压振荡下降不要让振荡电压影响栅极 - 源极关断电压变成负值。

当VGS低于-2V，且延续时候跨越15ns，如许可以或许或许呈现栅极阈值电压(VGS(th))漂移，致使RDS(on)增大，和全部操纵性命周期内体系效力下降。

负VGS呈现的一个缘由是由关断时驱动集成电路和碳化硅MOSFET之间电路板寄生电感制作的栅源极电压振荡，这振荡是因为碳化硅MOSFET关断时电路板寄生电感有高速关断电流(di/dt)经由过程而至。

第二个罕见缘由是导通时由电容驱动的栅极 - 源极电压，其源于半桥设置装备摆设中第二个碳化硅MOSFET的高dv/dt开关。

硅MOSFET设想中在此类题目普通可以或许或许或许经由过程栅极驱动器和硅MOSFET栅极之间拔出一个高阻值电阻，或找到一种减慢di/dt和dv/dt的体例来处理。

可怜的是，这些体例会致使开关消耗增添和体系效力下降。而在操纵碳化硅MOSFET时，只要在栅极和源极之间增添一个二极管电压钳位便可处理这一困难。

在碳化硅MOSFET的设想中，若是该振荡题目是纯电理性，下降振荡体例是将碳化硅MOSFET源极分为电源极和驱动器源极，钳位二极管毗连碳化硅MOSFET栅极和驱动器源极之间。

固然首选体例并操纵开尔文源极(Kelvin source)封装的碳化硅MOSFET，出格在大电流操纵中。比方，在3.3kW延续导通形式(CCM)图腾PFC中，关断电流可以或许或许或许到达25A至30A。

CoolSiC? IMZA65R048M1H 的守旧消耗EON比不操纵开尔文源极封装的不异RDS(on)的TO-247封装碳化硅MOSFET，IMWA65R048M1H 可以或许或许或许或许下降三倍。

图3：为防止碳化硅MOSFET的栅极电压变为负值，应斟酌操纵二极管钳位、或自力的端和开尔文源极。

完成跨越99%的效力

在漏极-源极电压VDS高于50V时，CoolSiC? MOSFET输入电容COSS也比绝对应的CoolMOS? MOSFET更高，CoolSiC? MOSFET 绝对较大输入电容COSS现实上可以或许或许或许下降封闭时代的过冲程度。

对这两种器件手艺，峰值 VDS，max 设置为数据表极限的 80%。CoolMOS?须要一个高栅极电阻来知足请求，这类体例致使下面已提到的效力下降，但CoolSiC?设想则可以或许或许或许不操纵这类电阻计划，是以进一步简化了设想和规划和它们的操纵场景。这类益处取决于设想职员可否下降电路板寄生参数的完成。

碳化硅MOSFET的QOSS特征也有利于硬开关协调振开关拓扑架构。与硅MOSFET比拟，碳化硅MOSFET的电荷QOSS下降了75%，是以所需的放电时候更少，这会下降CCM图腾柱PFC的 Eon 消耗。

并且，固然CoolMOS?CFD/CFD7系列的Qrr比上一代CoolMOS? CFD改良了十倍，但CoolSiC?的Qrr参数再比CoolMOS? CFD/CFD7的Qrr又下降了五到十倍。

这象征着，经由过程操纵48mΩCoolSiC?器件，对3.3kW CCM图腾PFC而言，可以或许或许或许完成99%以上的效力，而在Dual BoostPFC设想中操纵CoolMOS?的最好效力只能到达98.85%的峰值。

并且，虽然碳化硅MOSFET本钱较高，但若是比拟两种设想体例的物料清单(BOM)，成果是碳化硅MOSFETSiC处理计划物料清单绝对的削减，可供给更具本钱合作力，而效力高达99%的处理计划。

图4：即使是107mΩ的CoolSiC? CCM图腾PFC其效力也靠近99%，大都环境下机能都可跨越最好的CoolMOS? Dual Boost PFC计划。

总结

多年来，虽然硅MOSFET的手艺前进使其在寄生参数方面获得了较着改良，但硅的根基物理学特征依然在障碍着其机能的进一步进步，这限定了立异且又简略的拓扑布局操纵，是以也障碍了可延续绿色高效力的拓扑成长。

本文会商的碳化硅MOSFET手艺在操纵中同样也存在挑衅，并非一切碳化硅 MOSFET 寄生特征都比硅MOSFET为好。

可是，这类手艺确切可以或许或许或许或许供给很多上风，加上在硬开关操纵中的安稳性，使其值得在更高效电源转换操纵中斟酌接纳。650V CoolSiC?系列的推出令这些上风加倍较着，从而使碳化硅MOSFET手艺在将功率转换效力推向更高极限的同时，在经济方面也加倍实在可行。

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