具有SiC和GaN的高功率

电力电子将在未来几年发展，尤其是对于组件，因为 WBG 半导体技术正变得越来越流行。高工作温度、电压和开关频率需要 GaN 和 SiC 等 WBG 材料的能力。从硅到 SiC 和 GaN 组件的过渡标志着功率器件发展和更好地利用电力的重要一步。

与传统硅 (Si) 相比，新型半导体材料碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 具有更好的导热性、更高的开关速度和更小的物理器件。硅技术受到所使用的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的寄生二极管的不良特性的影响，它会产生高电流峰值和高 EMI。宽带隙 (WBG) 材料的导电和开关性能比 Si 好 10 倍左右。因此，WBG 技术代表了电力电子的自然应用，尤其是电动汽车，因为 SiC 和 GaN 组件可以更小、更快、更高效。

日益强大的电子元件

SiC 和 GaN 代表了对现有半导体技术的改进，例如 MOSFET 和隔离栅双极晶体管 (IGBT)。在积极方面和改进中：

它们更低，确保更低的损失;

它们以更高的开关频率工作;

它们可以承受更高的工作温度;

它们在困难的环境中非常坚固;和

它们提供更高的击穿电压。

电子行业正朝着充电时间更短、损耗更低的大型高压电池发展。因此，新材料非常有用。最初可用的 SiC 器件是简单的二极管，但材料技术已经改进，可以生产 JFET、MOSFET 和双极晶体管。

SiC 与 GaN

宽带隙功率器件 很贵。因此，使用它们而不是另一种(更便宜的)技术的好处必须非常大。那会有什么好处，它是否足够重要以使成本成为次要标准?GaN 出现在 SiC 之后。理论上，GaN 比 SiC 更快，并且允许更高的开关速度。但由于其高成本和可靠性问题，它的采用速度很慢。GaN 电压目前限制在大约 650 V。SiC 电压通常在大约 650 V 到 1,200 V 或更高。SiC广泛用于元件生产，比GaN更便宜、更坚固、更可靠。从封装的角度来看，SiC 器件采用 TO-247 和 TO-220 容器。即使在现有项目中，也可以快速简单地更换组件，并具有许多直接优势。相反，GaN 器件使用表面贴装封装，使用相应的限制。使 SiC 在工业系统中具有优势的一个因素是过压条件下的高可靠性。相反，对于 GaN 器件，不应超过最大电压。

 

应用

宽带隙器件在高温、高开关速度和低损耗下平稳工作。因此，它们非常适合军事和工业应用。它们的主要用途是用于大功率的桥式电路，用于逆变器、D 类音频放大器等。在大功率应用中，短路瞬变和浪涌的鲁棒性是一个非常重要的问题。控制电动汽车中电机的逆变器是可以利用 WBG 设备的系统示例。逆变器的主要功能是将直流电压转换成三相交流波形来驱动汽车发动机。由于逆变器将电池能量转换为交流电，因此转换过程中的损耗越低，系统的效率就越高。与硅相比，SiC 器件具有更高的电导率和更高的开关频率，从而降低了功率损耗，因为更少的能量以热量的形式消散。最终，基于 SiC 的逆变器效率的提高将为电动汽车带来更大的自主权。充当控制器和功率器件之间接口的关键元件是栅极驱动器。对于采用新器件的电子设计人员来说，栅极驱动器设计总是存在问题，因此了解如何驱动 SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶体管必须在更高的栅极电压下工作，并且必须具有高效的“dV/dt”才能实现快速开关时间。DC/DC 转换器的设计还需要遵循新的组件，例如 SiC MOSFET。它们必须具有用于控制 SiC 驱动器的不对称输出。绝缘和寄生电容也是设计中需要考虑的非常重要的因素。了解如何驱动 SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶体管必须在更高的栅极电压下工作，并且必须具有高效的“dV/dt”才能实现快速开关时间。DC/DC 转换器的设计还需要遵循新的组件，例如 SiC MOSFET。它们必须具有用于控制 SiC 驱动器的不对称输出。绝缘和寄生电容也是设计中需要考虑的非常重要的因素。了解如何驱动 SiC 和 GaN 功率器件非常重要。SiC MOSFET 晶体管必须在更高的栅极电压下工作，并且必须具有高效的“dV/dt”才能实现快速开关时间。DC/DC 转换器的设计还需要遵循新的组件，例如 SiC MOSFET。它们必须具有用于控制 SiC 驱动器的不对称输出。绝缘和寄生电容也是设计中需要考虑的非常重要的因素。

 

SPICE 模型

采用 SiC 和 GaN 技术的电子元件在工业和商业层面都越来越受欢迎。出于这个原因，用于电子仿真的 SPICE 模型也在互联网上传播开来。在示例中，我们可以观察到由 UnitedSiC 生产的组件 SiC FET UF3C065080T3S 的测试示意图。该组件的电气特性确实令人惊叹：

漏源电压(V DS)：650 V

栅源电压 (V GS )：–25 V 至 25 V

连续漏极电流 (I D )：在 T C = 25°C — 31 A 时;在 T C = 100°C — 23 A

脉冲漏极电流 (I DM )：65 A

功耗(P tot)：190 W

最高结温 (T Jmax )：175°C

漏源导通电阻 (R DS(on) )：80 mΩ

栅极电阻 (R G )：4.5 Ω

其典型应用有：

电动汽车充电

光伏逆变器

开关模式电源

功率因数校正模块

电机驱动

感应加热

图 ：UF3C065080T3S 的测试电路，MOSFET SiC JFET

SPICE 测试非常密集。如曲线图所示，我们可以看到该组件在 100 kHz 处切换其状态。耗散功率非常高，但它的工作没有任何问题。您可以在 Internet 上轻松找到 SPICE 模型，该模型包含在“.subckt UF3C065080T3S nd ng ns”和“.ENDS”语句中。

图：电路不同点的 SPICE 仿真图

随着 SiC 和 GaN 技术的日益普及，市场上的产品和器件也越来越多，性能也越来越高。让我们来看看其中的一些。

UnitedSiC 的 UF3SC120009K4S

此 SiC FET 器件基于独特的“共源共栅”电路配置，其中常开 SiC JFET 与 Si MOSFET 共同封装，以生产常关 SiC FET 器件。该器件的标准栅极驱动特性允许真正“直接替代”Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET 或Si 超结器件。该器件采用 TO-247-4L 封装，具有超低栅极电荷和出色的反向恢复特性，非常适合开关电感负载和任何需要标准栅极驱动的应用。一些特点如下：

典型导通电阻 (R DS(on),typ )：8.6 mW

最高工作温度：175°C

出色的反向恢复

低栅极电荷

低固有电容

ESD 保护，HBM 2 类

TO-247-4L 封装可实现更快的开关、清晰的栅极波形

其典型应用是电动汽车充电、光伏逆变器、开关模式电源、功率因数校正模块、电机驱动和感应加热。

该组件的电气特性确实令人惊叹：

漏源电压 (V DS )：1,200 V

栅源电压 (V GS )：–20 V 至 20 V

连续漏极电流 (I D )：120 A

脉冲漏极电流 (I DM )：550 A

功耗(P TOT)：789 W

最高结温 (T J,max )：175°C

图 ：UnitedSiC 的 UF3C065080T3S G3 SiC JFET

Power Integrations BridgeSwitch的半桥电机驱动器 是由 Power Integrations 提供的具有集成设备保护和系统监控功能的高压、自供电、半桥电机驱动器系列。BridgeSwitch 系列集成半桥极大地简化了高压逆变器驱动的两相或三相 PM 或 BLDC 电机驱动器的开发和生产。它将两个高压 N 沟道功率 FREDFET 与低侧和高侧驱动器集成在一个小外形封装中。内部功率 FREDFET 提供非常适合硬开关逆变器驱动的超软和超快速二极管。两个驱动器都是自供电的，因此无需外部辅助电源。BridgeSwitch 提供独特的瞬时相电流输出信号，简化了无传感器控制方案的实施。低调的，紧凑型表面贴装封装可提供更长的爬电距离，并允许通过印刷电路板对两个功率 FREDFET 进行散热。BridgeSwitch 提供内部故障保护功能和外部系统级监控。内部故障保护包括 FREDFET 的逐周期电流限制和两级热过载保护。外部系统级监控包括具有四个欠压电平和一个过压电平的直流总线感应，以及驱动外部传感器(如 NTC)。双向总线单线状态接口报告观察到的状态变化。内部故障保护包括 FREDFET 的逐周期电流限制和两级热过载保护。外部系统级监控包括具有四个欠压电平和一个过压电平的直流总线感应，以及驱动外部传感器(如 NTC)。双向总线单线状态接口报告观察到的状态变化。内部故障保护包括 FREDFET 的逐周期电流限制和两级热过载保护。外部系统级监控包括具有四个欠压电平和一个过压电平的直流总线感应，以及驱动外部传感器(如 NTC)。双向总线单线状态接口报告观察到的状态变化。

图：Power Integrations 的半桥电机驱动器

这些绝对最大额定值：

HD 引脚电压：–1.3 V 至 600 V

HB 引脚电压：–15 V 至 600 V

直流输出电流：BRD1X60C 1.0 A

直流输出电流：BRD1X61C 1.7 A

直流输出电流：BRD1X63C 3.0 A

直流输出电流：BRD1X65C 5.5 A

结温：–40°C 至 150°C

GS66508T：GaN Systems

的 650V 增强型 GaN 晶体管 GS66508T 是增强型 GaN-on-Si 功率晶体管。GaN 的特性允许高电流、高电压击穿和高开关频率。GaN Systems 实施获得专利的 Island Technology 单元布局，以实现高电流芯片性能和良率。GaNPX 封装可在小型封装中实现低电感和低热阻。GS66508T 是一款顶部冷却晶体管，可为要求苛刻的大功率应用提供极低的结壳热阻。这些特性结合起来提供了非常高效的电源开关。其应用众多：高效电源转换、高密度电源转换、AC/DC 转换器、无桥图腾柱 PFC、ZVS 移相全桥/半桥拓扑、同步降压或升压、不间断电源、工业电机驱动器，单逆变器腿，太阳能和风能、快速电池充电、D 类音频放大器、400V 输入 DC/DC 转换器、车载电池充电器和牵引驱动器。为了评估整个 GaN Systems 650-V 系列 GaN E-HEMT 产品，设计人员可以使用带有子卡(单独出售)的通用主板。

 

结论

为满足效率和功率密度要求，设计人员可以使用最先进的 WBG 半导体，例如 SiC 和 GaN。它们提供更高的开关频率、低损耗、非常高的工作温度和稳健性。

　　审核编辑：汤梓红