2018年03月06日 | SiC共源共栅器件可作为IGBT和Si-MOSFET的直接替代方案

 宽带隙器件能够在新设计中提供最佳性能

我们都已经知道SiC和GaN等宽带隙（WBG）开关所能够提供的性能优势，这些器件将会彻底变革当前所有应用中功率转换的功率密度和效率，其中包括智能能源管理和电动汽车等领域。但半导体制造商依然相当谨慎，为了使器件发挥其全部潜力，系统需要围绕使用RF技术进行设计。这样做是为了匹配WBG器件的高开关频率和边缘速率能力，这些器件又反过来需要更小的无源器件，尤其是磁性元件、电容器和散热部件。在不改变其他任何条件的情况下，尽管SiC-MOSFET或GaN HEMT器件在低工作频率下至少可以提高效率，但其栅极驱动电压要求相当精确，基于驱动Si-MOSFET和IGBT的现有技术和电路不能再匹配。如果考虑故障条件，还需要注意其他事项：SiC和GaN器件需要防止短路，其额定值随栅极电压而变化，特别是GaN没有雪崩能力，这对于功率系统应用中典型存在的电感性负载是一个重大问题。

如果系统设计中需要最佳的性能，而且开发时间允许，所有这些因素都值得努力去考虑。但是对于已经安装部署的采用IGBT和Si-MOSFET实现的大量系统，可以通过能够轻松替换的WBG器件，则可以实现设计的升级。这种升级可能是由于组件过时，或者仅仅是需要从系统中提高几个百分点的效率。如果工作频率没有改变，将不会取得磁性元件和其他无源元件小型化的好处，但是可以实现更高的效率。

针对原有设计的选项

研究一下原有设计中WBG器件的应用选项，可以发现最简单的结构是JFET，不幸的是，这种器件在导通状态（ON）通常具有0V的栅极电压，而在关断（OFF）时具有负电压的特性。这在断路器应用中具有优势，但并不是功率转换的首选。可以采用具有正常OFF（增强模式）特性的WBG技术来构建SiC-MOSFET和GaN（e-GaN FET），但是在硬开关半桥或“图腾柱”功率因数校正（PFC）等电路中的电流需要反向流动时，会产生一些复杂的连带效应。SiC-MOSFET具有体二极管，但VF约为4V；GaN没有体二极管，但通过沟道会发生反向导通，并且再次出现高的压降。由于这种高压降能够引起能耗，可能需要并联一个二极管（通常为SiC），因而在空间和成本方面会受到影响。如上所述，器件还需要特定的栅极驱动电压，在某些情况下，其绝对最大值的余量很小。

SiC共源共栅是合适的方案

如图1所示，替代现有IGBT或Si-MOSFET的一种方案可以追溯到20世纪30年代的真空管技术： SiC-JFET和传统Si-MOSFET的“共源共栅”布置。当正电压 施加到Si-MOSFET栅极时，其导通，有效地使SiC-JFET栅极 - 源极短路并将其导通。 当Si-MOSFET栅极处于0V时，其关断，使其漏极电压升高。 但在达到约+ 7V时，SiC-JFET栅极与其源极相比为-7V，将其关断。

图1：SiC共源共栅配置。

虽然主要目标是实现一个正常关断设备，但偶然它也会带来一系列其他优势。栅极驱动现已经不再是关键，典型值为+ / 25V，MOSFET是一种低电压类型，与SiC-JFET相比，其导通电阻可忽略不计，体二极管为低电压MOSFET，具有快速恢复和低VF，并且该组合具备优良的短路电流特性和雪崩能力。功耗的大部分都在SiC-JFET晶片，因此总体温度能力设定为碳化硅最大额定值250℃，封装将其限制在175～200℃。

我们现在已经拥有一款具有高性能Si-MOSFET三端特性的器件，同时具备SiC的额定速度和温度。

实际应用效果

应用效果当然无可置疑！SiC共源共栅器件采用熟悉的TO-247封装，在用于IGBT或Si-MOSFET的栅极驱动电路时，一起工作的串联电阻阻值变化很小。共源共栅器件开关速度更快，因此需要考虑EMI，但dV/dt和di/dt可由栅极电阻值控制。栅极驱动功率将显著降低，并带来可靠性和效率方面的优势。可用额定电压通常为650V和1200V，额定电流可达85A。

案例研究：Micropower Group

瑞典公司Micropower Group每年为物料行业制造超过20万台充电器和电源，其中一款产品（见图2）是一个三相10kW充电器，其中采用了12个Si-MOSFET，这款产品突然受到供应商MOSFET器件过时和“最后一次购买”通知的影响。该公司没有时间利用SiC-MOSFET或GaN器件对整个系统进行重新设计，因而去寻找针对替代过时零部件的“即插即用”可行性。

他们考虑了传统的平面型MOSFET，但是由于电流密度低，需要将很多器件并联，成本太高。他们尝试采用超级结MOSFET进行了原型设计，但由于不明原因造成的失效，体二极管的牢固可靠性深受质疑。他们甚至也考虑过IGBT，但效率太低，尤其是不能满足加利福尼亚能源委员会（Californian Energy Commission）新的电池充电器规则要求。

图2：Micropower Group充电器 - Access 100。

UnitedSiC的SiC共源共栅器件引起了Micropower Group的关注，并被认为是“最后的希望”。 Micropower Group高兴地发现，现有的+/- 13V栅极驱动器可以继续使用，每个器件的RDS（ON）不到原来过时器件的三分之一，额定电压却高出250V，体二极管证明坚固耐用，成本也没有提高。他们用四组双SiC共源共栅器件替换了移相全桥电路中的四组三Si-MOSFET，在工作负载下效率提高了1％（见图3）， 在较轻的负载下，可以有近10％的效率改善。表面看起来1％只是一个不起眼的改进，但从系统功率水平看，这意味着5年内可节省令人印象深刻的750kWh电力。

图3：SiC共源共栅器件与Si-MOSFET的效率对比。

采用SiC共源共栅器件所需要的唯一改变是栅极驱动电阻阻值和驱动器死区时间的调整。缓冲器的尺寸可以减小，只需要两个额外的“Y”电容器即可满足EMC标准。

当然，Micropower Group也需要对方案在生产阶段建立信心，并为此进行了详尽的测试，包括详细的开关行为特性，辐射和传导环境下的EMI，以及6个月的热循环。重要的是，对“异常”条件进行了评估，包括电压浪涌，输出短路，输出负载断开和“反弹相位误差”，全部都重复2万次。还测试了对冷却风扇故障造成的热应力的安全响应。

所有结果都取得了巨大成功，没有出现故障，SiC共源共栅器件现在已成为未来产品的首选解决方案。从开始到生产的12个月项目周期内，只进行了最小量的重新设计，这种解决方案在相同成本下具有更好的性能。 Micropower Group和UnitedSiC现在已经签署了一项长期协议[1]，为未来的新产品提供SiC共源共栅器件，预计未来系统将实现更高的效率，更高的功率。

SiC共源共栅器件- 轻松的替代解决方案

SiC共源共栅器件是功率转换系统中实现最佳功率密度和更高效率方案的真正理想选择，同时凭借其牢固性和栅极驱动灵活性，也已经证明是升级现有IGBT和Si-MOSFET电路的绝佳解决方案。