碳化硅开关管的选择-优缺点对比课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,应用增强型碳化硅结型晶体管的功率因数校正技术,Robin Kelley1,2, Michael Mazzola1, Shane Morrison2, Igor Sankin2,David Sheridan2, and Jeff Casady2,密西西比州立大学车辆系统研究中心,E-mail:,mazzolaece.msstate.edu,目录,碳化硅开关器件的选择问题,三端（无共源共栅结构放大器）增强型（常关）碳化硅结型场效应晶体管,在采用标准,PWM,芯片或,MOSFET,驱动器的场合采用插入式替换设计,在商用,PFC,评估板上测得的实验结果,门极驱动电压范围的减小，这是致命的弱点吗？,碳化硅开关器件的选择,-,优缺点对比,1200V,碳化硅,DMOSFET,1200V,碳化硅结型晶体管,优点：,常关,比一般的硅,MOSFET,的,Rds(on,),小得多（大约为,1/5-1/10,）,比一般的硅,MOSFET,的,Rds(on)Qg,稍小,较高的结温,插入式替换,-,可插入现有插口中,缺点：,碳化硅,MOSFET,的稳定性,碳化硅,PN,体二极管的稳定性,成本为,3,美元,优点：,常关,比硅,MOSFET,损耗低,结温高,缺点：,碳化硅基射极的稳定性,低电流增益,可替换插口？,成本为,3,美元,碳化硅开关管的选择,-,优缺点对比,1200V,碳化硅,DM,横向导电型场效应晶体管,优点：,比硅,MOSFET,的导通电阻低得多（,1/10,1/20,）,比硅,MOSFET,的,Qg,低得多,结温较高,缺点：,常开,无可替换插口（,W/O,共源共栅结构硅,MOSFET,）,碳化硅体二极管的稳定性,成本,2,美元,/,共源共栅结构成本为,3,美元,1200V,碳化硅,EM,垂直导电型场效应晶体管,优点：,常关,比硅,MOSFET,的导通电阻低得多（,1/20,1/30,）,比硅,MOSFET,的,Qg,低得多,结温较高,无体二极管,插入式可替换结构,-,可插入现有插口中,缺点：,门极驱动电压波动,成本为,1,美元,/ I,DSS,误差放大器成本为,2,美元,功率半导体公司公认,本文的重点,在商用封装中的应用范围,近三个月来，由,Semisouth,或,CAVS,公司封装的碳化硅垂直导电型结型晶体管的应用实例,单体 额定电压,1200V,封装,TO247,雪崩击穿电压,1500V,0.1,欧导通电阻,I,DSS,为,40A,多体 额定电压,600V,固态功率控制器,在斩波电路中采用,SBD,增强模式,0.015,欧导通电阻,I,DSS,为,150A,多体 额定电压,600V,半桥功率模块,在反并联结构中采用,SBD,带门极驱动电路,0.003,欧导通电阻,I,DSS,大于,600A,高频交流环节矩阵变换器,蓄电池电动汽车中永磁电机驱动电路,飞机或汽车用能量管理或分配系统,带碳化硅,P-N,结的单极性器件,开关速度高,易于并联,无双极性退化,/,门极氧化问题,高的击穿值,/,雪崩限制值,垂直导电沟道,高的沟道填充密度,/,高的电子迁移率（对,C-,轴）,由布局限制了门限电压,简单的自对准工艺,-,低成本,更多门极面积可延伸至漏极：,Coss,取决于密勒电容,两种不同的功率结型晶体管的剖面图,(,a)LC,/V (,b)VC,/V,碳化硅单极性功率开关管：结型晶体管,600 V 1200 V, 20 A 50 A,4H-,碳化硅功率结型晶体管,碳化硅单极性功率开关管：结型晶体管,:600 V 1200 V 4H-SiC E-mode Power VJFET,在,RT,和,200,C,时测得的漏极电流,-,电压曲线族,800V,和,1800V,常关型,V,结型晶体管模块参数,常关型碳化硅,V,结型晶体管模块,碳化硅,VJ,结型晶体管的选择,由电介质限制的截止电压为,V,GS,=0V,+1.25V,门槛电压,在,TO257,金属盒封装的单个器件,R,ds(on,),= 80,m, T = 25C,I,DSS,= 18 A,I,G(leakage,),= 8,mA, V,GS,= 2.5 V,双极性模式可忽略（最小空穴注入法）,高效的电流转移比,200,更多信息请查询：,brice.moore,门极驱动电平移动,典型的,COTS MOSFET,控制器,/,驱动,IC,单电源供电,V,CC,= 15 V.,直流耦合，,1-5A,源或负载,按照,EM V,结型晶体管的需要做的相应改动,和,BJT-,驱动电路一样，需要,加入限流电阻和并联旁路电容,为保证了门极的绝缘性能，将电流转移比变得很高,基极驱动的选取, RC,的设计要求：,为减小,Rds(on,),，,I,DSS,的值最大，选择,V,GS,= +2.5V,在,VGS = +2.5V,和,VGG = 15 V,情况下，电阻值的选取必须限制正向门极电流,电容器的尺寸要大于,Ciss,最初选择的,Cg,应该为开关器件输入电容的十倍，并且为保证最佳性能,Cg,应该是可调的。,Rg,= (V,GG, V,GS,) / I,G,“,插入式”演示板的说明,由,Fairchild,公司半导体生产的,FEB-109,评估板, 300,瓦离线式连续模式功率因数校正的开关模式电源, ML4821,功率因数校正控制器（平均电流模式）, 100kHz,Boost,的,IGBT,Boost,的二极管,PFC,的控制器,整流器,FEB-109,评估板的电路图, PFC,演示板的参数,:, V,IN,: 85 265 V,AC, V,OUT,:400 V, P,OUT,:300 W,f,s,: 100 kHz,主功率开关器件：,600V / 34A,的,IGBT,将原有电路中的续流二极管更换为碳化硅,SBD-,为了作对比分析,精细功率分析仪（,Yokagawa,PZ4000,）,-,用于精确调节测定基准电路的系统效率,IGBT,的开关波形,V,in,-,整流后的输入电压（紫色，,100V/,格）,V,OUT,-,输出电压（绿色，,200V/,格）,V,DS,-IGBT,集,-,射极电压（蓝色，,200V/,格）,V,GE,-,门,-,射极电压（褐色，,20V/,格）,PFC,电路的参考标准,PFC,电路的参考标准,功率分析仪用于评估整个输入电压和负载范围的系统效率,在,FEB-109,评估板上所做的修改,1.,代替,w/,SiC,SBD,2.,用 碳化硅,JFET,代替,3.,改变电阻值,4.,加入电容,采用碳化硅,SBD,和,JFET,的演示板,碳化硅,SBD,EM,碳化硅,JFET,PFC,演示板的,PCB,板,采用,EM,碳化硅结型晶体管的工作波形,启动前，器件截止电压为,V,GS,= 0 V,启动后，,RC,门极驱动电平将由驱动器,IC,的输出转换为,JFET,门极期望的偏置电压。,在门极驱动器中加入旁路电容是用来将门极信号变负以加速关断,采用,JFET,的效率曲线,在最低输入电压时的最大开关电流,满载时最高效率,在最低输入电压和最大功率时有,1.25%,的效率提升,EM,碳化硅结型晶体管和硅,IGBT,*漏极电流为红色方框区域内,由,800-V, 11A EM,碳化硅结型晶体管代替,600-V, 34-A,硅,IGBT,在进入饱和区之前先到达欧姆区致使导通损耗明显的减小（,50%,）,开通速度提高了,2.5,倍（由,FWD,的换向速度限制了关断速度）,器件,输入电压,开通时间,关断时间,dV/dt,（导通）,dV/dt,（关断）,Sic JFET,IGBT,240VAC 120VAC,240VAC 120VAC,32ns 38ns,100 80ns,170ns 92ns,176 103ns,9.98V/ns 8.88V/ns,1.88V/ns 3.47V/ns,3.20V/ns 3.99V/ns,1.82V/ns 3.10V/ns,旁路电容器的剩余电荷,由电平变化引起的负向“跳跃,”,为避免直通，,dV,DG,/dt, 24 V/ns,门极驱动电压控制在,0-2.5V,之间会怎么样？,SiC,JFET,漏极电压,SiC,JFET,门极电压 ,PWM,控制器输出 ,结论,请不要说,“,但是结型晶体管是常开型器件”他们不一定采用碳化硅。,请询问生产碳化硅开关器件的厂家有关常关型,碳化硅结型晶体管事宜，如果他们不是，请查询哪种器件才是？,在没有进行电路优化的,COTS PFC AC-DC,演示板中用,EM,碳化硅结型晶体管替换硅,IGBT,能够在最低输入电压时有,1.25%,的效率提升。,若将,COTS MOSFET/IGBT,驱动电路用在,EM JFET,中，由于门极电压范围缩小了，为了保持高的,dV/dt,这里提出了新的解决方法。,