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适用于下一代功率器件的 SiC 驱动模块

作者: 浮思特科技2024-05-28 13:53:58

  SIC 是一种宽带隙 (WBG) 材料,用作半导体材料时比硅具有多种优势(例如,带隙宽度是硅的 3 倍,击穿电场强度是硅的 10 倍)。与更传统的 Si 或 IGBT 相比,使用 SiC 功率 MOSFET 具有许多优势,但为其选择驱动器需要采用不同的方法。

碳化硅

  SiC 在电力设备中相对于 Si 的优势

  SiC 是一种有效、高效的 WBG 替代品,可以替代更传统的 Si 基功率器件,其原因如下:

  MOSFET 开关速度更快,即 >50 kHz,而 Si IGBT 为 5 kHz 至 20 kHz,Si MOSFET 为 >20 kHz

  更高的效率

  更高的耐压能力

  功率水平更高,即 >5 kW,而 Si IGBT 的功率水平 >3 kW,SiC MOSFET 的功率水平 <3 kW

  高温能力

  特别是,SiC MOSFET 在电动和混合动力汽车(包括电动汽车的牵引逆变器)、铁路、太阳能逆变器和通用电源的 DC-DC 转换器中的应用越来越多。

  SiC 功率晶体管

  SiC 功率晶体管通常用作电源和其他开关应用的开关。如果正确实施,它们可以实现关键的设计目标,例如降低功耗和最小化电源产品尺寸,同时提供刚才讨论的好处。然而,与 Si 相比,在栅极驱动 SiC 时,工程师需要注意一些差异。

碳化硅管

  驱动 SiC 功率 MOSFET

  为了使 SiC MOSFET 达到最佳性能水平,工程师需要认识到驱动器的一些设计参数与 Si MOSFET 的设计参数不同。作为参考,可以在图 2 中找到典型的应用电路。

  大多数 MOSFET 将在零 VGS(栅极源电压)时关闭。另一方面,当半桥和桥式配置中出现负栅极偏置时,SiC MOSFET 栅极驱动器将更好地工作。与 VGS 相关的潜在问题的一个例子是米勒效应。如果一个 SiC MOSFET 开启,第二个 MOSFET 的漏极可能会受到足够的浪涌,从而由于寄生效应而开启。对于 SiC MOSFET,建议的 VGS 通常为 14 至 20 V 以完全开启,0 至 -5 V 以关闭。请注意,较低的开启 VGS 将导致较低的效率水平。

  对于 SiC MOSFET 所用的高压应用,需要隔离屏障来 1) 防止不需要的交流或直流信号从 MOSFET 的低压侧传输到高压侧,以及 2) 确保初级侧不超过电路的最大额定值。由于 SiC MOSFET 支持的电压高于 Si 或 IGBT,因此必须考虑最大工作隔离电压。对于高功率应用,最大工作隔离电压很容易达到 1,700 V。

  在驱动 SiC 功率 MOSFET 时,CMTI(共模瞬态抗扰度)也至关重要。CMTI 是两个隔离电路之间施加的 VCM(共模电压)上升或下降的最大可容忍速率。

  由于 SiC MOSFET 具有较高的开关速率,CMTI 可能会出现问题。VCM 的上升/下降会导致较大的电压瞬变,很容易达到 100 kV/µs,从而导致低压产生噪声。驱动器必须承受高于额定水平的 CMTI 才能有效。

  还有与电容相关的设计考虑因素。开关节点电容会增加损耗,栅极电路中的电容和电感组合会降低开关速度(这是使用 SiC 的主要优势)和控制栅极电压的能力。除了电容挑战之外,并联器件的电容差异会导致不平衡。这些问题可以通过PCB 布局最小化。

  最后,为 SiC 功率 MOSFET 驱动器供电的 DC-DC 转换器应具有双非稳压输出或双电压轨。具有单输出电压的 SiC 驱动器无法提供可靠关闭 SiC MOSFET 所需的负电压。双输出 DC-DC 转换器可以提供打开晶体管所需的正电压和关闭晶体管所需的负电压。

  但是如前所述,大多数双输出 DC-DC 转换器的开启和关闭电压并不互补(例如 +12 V 和 -12 V)。为 SiC 驱动器设计的 DC-DC 的输出电压是不对称的,可以根据特定的开启和关闭电压要求进行选择(例如 +20 V 和 -5 V)。

  FST MPRA1C65-S61碳化硅模块设计

  FST MPRA1C65-S61 SIC DIODE模块 可以适用更高的开关频率,可忽略的反向恢复与开关损耗,大大的提高整机效率,可适当的减少散热器件体积。应用在焊接切割设备,开关电源 充电设备为最佳选择。

碳化硅模块

  不断发展的电源技术需要更高效、更高性能的功率晶体管,而 SiC 通常是下一代功率器件的最佳选择。然而,工程师必须拥有正确的驱动电压才能充分利用 SiC 功率 MOSFET 等元件。浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供igbt、IPM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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