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更高的电压对碳化硅(SiC)器件意味着什么?

作者: 浮思特科技2024-05-20 13:44:14

  碳化硅 (SIC) 器件具有更高的电子迁移率、更低的损耗以及在更高温度下工作的能力,因此在具有挑战性的功率应用中得到了广泛接受。虽然在关键应用中相对于硅的优势非常显着,但还需要进一步改进,特别是在提高效率的同时减小尺寸和成本。

碳化硅(SiC)器件

  在汽车和可再生能源领域,有一种趋势是通过提高电压来实现这些目标。然而,为了实现这一目标,必须能够免费提供能够在这些电压下工作的 SiC 器件。

  欧姆定律

  为了提高效率而转向更高电压的基础是物理学中最基本的定律——欧姆定律。该定律告诉我们,损耗随着电流的平方而增加,因此减少电流将有利于效率。欧姆定律还告诉我们,对于相同的功率,如果我们想让电流减半,就必须将电压加倍。

  通过将电流减半,半导体和电缆中的传导损耗导致的静态损耗减少了四倍。这就是电网在极高电压水平下运行的原因。

  虽然工业和汽车应用转向极高电压似乎是显而易见的,但由于支持此类电压的组件的可用性,这是不切实际的。

  功率器件开关

  在开关电源转换器中,功率器件具有三种角色:阻断、导通以及在前两个角色之间切换。随着电压增加,阻塞方面面临挑战,因为器件上会出现高电压。如果没有适当的结构和材料,可能会发生灾难性的故障。

MOSFET开关

  因此,为了获得更高电压运行的效率优势,需要在漏极和源极引脚 (V DS ) 上具有更高阻断电压的 SiC 器件。目前,许多设备都具有 650 V 能力,并且 1200 V 额定设备也变得越来越常见。然而,需要更高额定电压的器件来应对这些更高的电压,并具有适当的设计裕度以确保可靠性。

  应用转向更高电压运行

  更高的效率将有利于在更高功率水平下运行的应用。风能和太阳能发电正在转向更高的电压。对于太阳能光伏 (PV) 系统,光伏电池板的直流母线电压已从 600 V 增加到 1500 V,以提高效率。

  更高的效率仅仅意味着可以立即使用或存储更多的天然太阳能或风能以供以后使用。虽然这两种形式的能源似乎都具有无限的容量,但它们都受到天气变幻莫测的影响,从而限制了产量。

  此外,如果系统效率更高,它将变得更小、更轻,这对于屋顶安装来说是一个显着的好处。

可再生能源

  电动汽车增长低于预期的原因之一是充电时间和电池续航里程有限。汽车制造商正在用 800 V 版本替换 400 V 电池组来解决这个问题。充电速度由充电器的输出功率决定,而输出功率又受到系统电压和输出电流的限制。增加电流虽然可以缩短充电时间,但也会增加产生的热量和系统能量损耗,从而降低充电器的效率并提高冷却需求。或者,通过提高电压并保持相似的电流水平来显着增加电动汽车充电器的功率输出。这缩短了车辆的充电时间,而不会显着提高热考虑因素或降低系统效率。

  电流的降低和效率的提高将减小车载充电器(OBC)的尺寸、成本和重量,因为可以使用更细的电缆并且需要更少的散热。由于 OBC 保留在车辆上,任何重量的减轻都会导致车辆行驶里程的增加。

  展望未来,随着电力推进进入商用车,电池将变得更大,并且需要有效地传输更多电力才能在合理的时间内充电。作为指导,兆瓦充电系统 (MCS) 的额定充电率为 3.75 MW - 3,000 A @ 1,250 VDC。

  碳化硅击穿电压

  开发具有更高击穿电压的垂直结构半导体功率器件的挑战之一是RDS(ON)的增加导致传导损耗相应增加。在耐压较高的器件中,漂移层通常较厚,这会导致传导损耗增加。

  因此,虽然提高工作电压具有效率优势,但 MOSFET 内传导损耗的相应增加将抵消部分或全部这些优势。

  然而,与同等硅器件相比,基于 SiC 的功率器件可以提供更高的击穿电压和更薄的漂移层,从而降低正向压降并减少传导损耗。

  现代高击穿 SiC MOSFET

  由于需要击穿电压超过工作电压的 MOSFET 器件,Onsemi 专门针对此类应用开发了一系列新型 SiC MOSFET。

  Onsemi 的 NTBG028N170M1 是一款 N 沟道平面 EliteSiC MOSFET,适用于高压快速开关应用,V DSS 为 1700 V,扩展 V GS 为 -15/+25 V。该器件连续支持高达 71 A 的漏极电流 (I D )脉冲时为 195 A。

sic mosfet

  该坚固耐用的器件凭借仅为 28 mΩ(典型值)的优异 R DS(ON) 值来降低传导损耗,而仅为 222 nC 的超低栅极电荷 (Q G(tot) ) 可确保高频操作期间的低损耗。该器件采用可表面贴装的 D2PAK–7L 封装,可减少运行期间的寄生效应。

  Onsemi 提供一系列额定 1700 V 的 SiC 肖特基二极管来支持 MOSFET,可增强 VRRM 与二极管峰值重复反向电压之间的电压裕度。在具有挑战性的应用中,即使在高温下,1700 V 二极管也能提供较低的 VFM、最大击穿电压和出色的反向漏电流,使设计工程师能够在高温下实现稳定的高压运行。

  效率是最终目标

  在电力电子的每个领域,效率都是首要目标。它不仅可以降低运营成本,还可以实现更小、更轻、成本更低的设计。随着高效半导体的普及,设计人员正在寻求系统的其他领域来提供更高的效率。

  提高系统电压可降低电流并显着降低损耗。然而,到目前为止,这已被证明具有挑战性,因为增加MOSFET 的击穿电压也会增加其传导损耗。

浮思特科技深耕功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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