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三相变频电源碳化硅MOSFET性能的优势与未来出路在哪里?

三相变频电源 碳化硅功率器材近年来越来越广泛使用于工业范畴,遭到我们的喜爱,不断地移风易俗,许多的更高电压等级、更大电流等级的产品相继推出,市场反应三相变频电源 碳化硅元器材的效果十分好,但似乎关于三相变频电源 碳化硅元器材的遍及还有很长的路要走。那为什么SiC器材这么受欢迎,但难以遍及?本文简略概述一下三相变频电源 碳化硅器材的特性优势与开展瓶颈!

三相变频电源 碳化硅mos对比硅mos的11大优势

1SiC器材的结构和特征

Si材猜中,越是高耐压器材其单位面积的导通电阻就越大(一般以耐压值的大约2-2.5次方的份额添加),因此600V以上的电压中主要选用IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)。IGBT经过电导率调制,向漂移层内注入作为少量载流子的空穴,因此导通电阻比MOSFET还要小,可是一起因为少量载流子的积累,在关断时会发作尾电流,然后构成极大的开关损耗。

SiC器材漂移层的阻抗比Si器材低,不需求进行电导率调制就能够以高频器材结构的MOSFET完成高耐压和低阻抗。并且MOSFET原理上不发作尾电流,所以用SiC MOSFET代替IGBT时,能够明显地削减开关损耗,并且完成散热部件的小型化。别的,SiC MOSFET能够在IGBT不能作业的高频条件下驱动,然后也能够完成被迫器材的小型化。与600V~1200V的Si MOSFET比较,SiC MOSFET的优势在于芯片面积小(能够完成小型封装),并且体二极管的康复损耗十分小。

2SiC Mosfet的导通电阻

SiC 的绝缘击穿场强是Si 的10倍,所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层完成高耐压。因此,在相同的耐压值的状况下,SiC 能够得到标准化导通电阻(单位面积导通电阻)更低的器材。例如900V时,SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需求Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1,就能够完成相同的导通电阻。不只能够以小封装完成低导通电阻,并且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。现在SiC 器材能够以很低的导通电阻轻松完成1700V以上的耐压。因此,没有必要再选用IGBT这种双极型器材结构(导通电阻变低,则开关速度变慢) ,就能够完成低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器材。

3Vd-Id特性

SiC‐MOSFET 与IGBT 不同,不存在敞开电压,所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够完成低导通损耗。而Si MOSFET 在150℃时导通电阻上升为室温条件下的2 倍以上,与Si MOSFET 不同,SiC MOSFET的上升率比较低,因此易于热规划,且高温下的导通电阻也很低。

4驱动门极电压和导通电阻

SiC‐MOSFET 的漂移层阻抗比Si MOSFET 低,可是另一方面,依照现在的技能水平,SiC MOSFET的MOS 沟道部分的迁移率比较低,所以沟道部的阻抗比Si 器材要高。因此,越高的门极电压,能够得到越低的导通电阻(Vgs=20V 以上则逐步饱满)。如果运用一般IGBT 和Si MOSFET 运用的驱动电压Vgs=10~15V 的话,不能发挥出SiC 正本的低导通电阻的功能,所以为了得到充沛的低导通电阻,引荐运用Vgs=18V左右进行驱动。Vgs=13V 以下的话,有可能发作热失控,请注意不要运用。

5Vg-Id特性

SiC MOSFET 的阈值电压在数mA 的状况下定义的话,与Si‐MOSFET 适当,室温下大约3V(常闭)。可是,如果流转几个安培电流的话,需求的门极电压在室温下约为8V 以上,所以能够以为针对误触发的耐性与IGBT 适当。温度越高,阈值电压越低。

6Turn-On特性

SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度与Si IGBT 和Si MOSFET 适当,大约几十ns。可是在理性负载开关的状况下,由通往上臂二极管的回流发作的康复电流也流过下臂,因为各二极管功能的误差,然后发作很大的损耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的体二极管的一般康复电流十分大,会发作很大的损耗,并且在高温下该损耗有进一步增大的趋势。与此相反,SiC二极管不受温度影响,能够快速康复,SiC MOSFET 的体二极管虽然Vf 较高可是与三相变频电源 碳化硅二极管相同,具有适当的快速康复功能。经过这些快速康复功能,能够削减Turn‐on 损耗(Eon)好几成。开关速度极大程度上决定于外部的门极电阻Rg。为了完成快速动作,引荐运用几Ω左右的低阻值门极电阻。别的还需求考虑到浪涌电压,挑选适宜的门极电阻。

7Turn-Off特性

SiC MOSFET 的最大特点是原理上不会发作如IGBT中经常见到的尾电流。SiC 即便在1200V 以上的耐压值时也能够选用快速的MOSFET 结构,所以,与IGBT 比较,Turn‐off 损耗(Eoff)能够削减约90%,有利于电路的节能和散热设备的简化、小型化。并且,IGBT 的尾电流会跟着温度的升高而增大,而SiC‐MOSFET 简直不受温度的影响。别的,因为较大的开关损耗引起的发热会致使结点温度(Tj)超过额定值,所以IGBT 一般不能在20KHz 以上的高频区域内运用,但SiC MOSFET 因为Eoff 很小,所以能够进行50KHz 以上的高频开关动作。经过高频化,能够使滤波器等被迫器材小型化。

8内部分极电阻

芯片内部分极电阻与门极电极资料的薄层阻抗和芯片尺寸相关。如果是相同的规划,芯片内部分极电阻与芯片尺寸呈反份额,芯片尺寸越小,门极电阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器材小,虽然结电容更小,可是一起门极电阻也就更大。

9门极驱动电路

SiC MOSFET 是一种易于驱动、驱动功率较少的常闭型、电压驱动型的开关器材。基本的驱动办法和IGBT 以及Si MOSFET一样。引荐的驱动门极电压,ON 侧时为+18V 左右,OFF 侧时为0V。在要求高抗干扰性和快速开关的状况下,也能够施加‐3~‐5V 左右的负电压。当驱动大电流器材和功率模块时,引荐选用缓冲电路。

10体二极管的 Vf 和逆导游通

与Si MOSFET 一样,SiC MOSFET体内也存在因PN结而构成的体二极管(寄生二极管)。可是因为SiC的带隙是Si的3倍,所以SiC MOSFET的PN二极管的敞开电压大约是3V左右,比较大,并且正向压降(Vf)也比较高。以往,当Si MOSFET外置回流用的快速二极管时,因为体二极管和外置二极管的Vf巨细持平,为了避免朝向康复慢的体二极管侧回流,必须在MOSFET上串联低电压阻断二极管,这样的话,既添加了器材数量,也使导通损耗进一步恶化。可是,SiC  MOSFET的体二极管的Vf 比回流用的快速二极管的Vf还要高出许多,所以当逆向并联外置二极管时,不需求串联低压阻断二极管。

体二极管的Vf比较高,这一问题能够经过如同整流一样向门极输入导通信号使其逆导游通来下降。逆变驱动时,回流侧的臂上多数是在死区时刻完毕之后输入门极导通信号(请承认运用中的CPU的动作),体二极管的通电只在死区时刻期间发作,之后基本上是经由沟道逆向流过。因此,即便在只由MOSFET(无逆向并联的SBD)构成的桥式电路中,体二极管的Vf较高也没有问题。

11体二极管的康复特性

SiC MOSFET的体二极管虽然是PN 二极管,可是少量载流子寿数较短,所以基本上没有呈现少量载流子的积累效果,与SBD 一样具有超快速康复功能(几十ns)。因此Si MOSFET的体二极管与IGBT外置的FRD比较,其康复损耗能够削减到IGBT外置的FRD的几分之一到几十分之一。体二极管的康复时刻与SBD相同,是稳定的,不受正向输入电流If的影响(dI/dt 稳定的状况下)。在逆变器使用中,即便只由MOSFET 构成桥式电路,也能够完成十分小的康复损耗,一起还预期能够削减因康复电流而发作的噪音,到达降噪。

从以上这些方面就能看出SiC MOSFET相关于Si IGBT和MOSFET的优势所在。

三相变频电源 碳化硅mos的开展瓶颈

归纳各种报导,难题不在芯片的原理规划,特别是芯片结构规划处理好并不难。难在完成芯片结构的制作工艺。当然关于用户最直接的原因是,SiC MOSFET 的价格适当昂贵,约束了它的遍及。

举例如下:

1三相变频电源 碳化硅晶片的微管缺点密度。微管是一种肉眼都能够看得见的微观缺点,在三相变频电源 碳化硅晶体成长技能开展到能完全消除微管缺点之前,大功率电力电子器材就难以用三相变频电源 碳化硅来制作。虽然优质晶片的微管密度已到达不超过15cm-2 的水平。但器材制作要求直径超过100mm的三相变频电源 碳化硅晶体,微管密度低于0.5cm-2 。

2外延工艺功率低。三相变频电源 碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。因为有进步的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因此成长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产值较低。

3掺杂工艺有特殊要求。如用分散办法进行惨杂,三相变频电源 碳化硅分散温度远高于硅,此刻掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽效果,并且三相变频电源 碳化硅自身在这样的高温下也不稳定,因此不宜选用分散法掺杂,而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质运用铝。因为铝原子比碳原子大得多,注入对晶格的损害和杂质处于未激活状况的状况都比较严重,往往要在适当高的衬底温度下进行,并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片外表三相变频电源 碳化硅分解、硅原子进步的问题。现在,p型离子注入的问题还比较多,从杂质挑选到退火温度的一系列工艺参数都还需求优化。

4欧姆触摸的制作。欧姆触摸是器材电极引出十分重要的一项工艺。在三相变频电源 碳化硅晶片上制作金属电极,要求触摸电阻低于10- 5Ωcm2,电极资料用Ni和Al能够到达,但在100℃ 以上时热稳定性较差。选用Al/Ni/W/Au复合电极能够把热稳定性进步到600℃、100h ,不过其触摸比电阻高达10- 3Ωcm2 。所以要构成好的三相变频电源 碳化硅的欧姆触摸比较难。

5配套资料的耐温。三相变频电源 碳化硅芯片可在600℃温度下作业,但与其配套的资料就不见得本领此高温。例如,电极资料、焊料、外壳、绝缘资料等都约束了作业温度的进步。

以上仅举数例,不是悉数。还有许多工艺问题还没有抱负的处理办法,如三相变频电源 碳化硅半导体外表挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对三相变频电源 碳化硅MOSFET器材的长期稳定性影响方面,职业中还有没有达到共同的定论等,大大阻止了三相变频电源 碳化硅功率器材的快速开展。

结语

学习各类科技开展经历,凡事都有一个自己的开展规律。例如晶闸管上世记五十年代在我国呈现,用于电气控制,遭到各行各业欢迎,但并不一往无前。先是可控硅热,后因规划原理没有完全搞清,产品毛病频发,社会呈现了“可怕硅”的惊骇。经过努力,下定决心战胜难题,迎来了晶闸管的遍及运用。所以,三相变频电源 碳化硅功率器材的开展也不可能呈现短期的腾跃要有个进程。 


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