如何应用英飞凌新一代G2 CoolSiC™ MOSFET 提升系统效率

CoolSiC MOSFET G2 1200V系列产品是英飞凌最新推出的SiC MOSFET产品，均采用了扩散焊工艺（.XT） 来降低结壳热阻。TO247封装器件的导通电阻从7mΩ到78mΩ。产品系列如下：

 

 

上表给出了G1与G2建议的替代关系。比如G1 IMZA120R040M1H同G2 IMZC120R034M2H和IMZA120R034M2H处在同一行，可以相互替换。为了兼容G1以及更大爬电的需求，推出了2种封装，分别是IMZC和IMZA，实物图如下：

 

IMZC package

 IMZA package

 

CoolSiC MOSFET G2 1200V系列对比G1,有着更低的开关损耗和改善的热性能，同时，有着更宽的门极Vgs电压耐受范围，正压从G1的最大+23V，提升到G2的最大+25V，负压维持最小-10V不变。对比G1，G2的成本会更低，性能会更好。下面我们将就不同应用，分析G2对效率及结温的改善。

 

 

CoolSiC MOSFET G2

提升硬开关应用效率

 

在Solar和ESS应用中，使用1200V SiC MOSFET 替代1200V IGBT,可以带来损耗的降低以及散热系统体积的下降。

 

在下图的新能源系统中，DC/DC MPPT,DCDC buck/boost和DC/AC inverter这些硬开关应用场合均可使用CoolSiC MOSFET G2提升效率。

 

 

 

CoolSiC MOSFET G2在Boost拓扑中的性能

 

 

工作条件：

 

 

仿真结果：

 

 

我们先按照固定环境温度50°C，散热片到环境的热阻1K/W进行计算。在上述工作条件下，G2 IMZC120R026M2H的总损耗对比G1 IMZA120R030M1H下降了8%，结温下降了6°C。在固定散热片温度85°C的条件下，G2 IMZC120R026M2H的总损耗对比G1 IMZA120R030M1H下降了6%，结温下降了2°C。

 

 

CoolSiC MOSFET G2在同步整流Boost拓扑中的性能

 

工作条件：

 

 

仿真结果：

 

低边开关管在不同死区条件下的损耗和结温对比

 

高边开关管（同步整流）在不同死区条件下的损耗和结温对比

 

从上述结果看，使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,可以得到更低的损耗，并且降低器件的温度。具体如下，死区时间200ns条件下，低边开关管使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H温度低8°C，高边开关管（同步整流）使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H温度低7°C。如果死区时间是500ns,使用同型号的G2和G1对比，低边和高边的G2较G1结温低8°C和9°C。

 

 

CoolSiC MOSFET G2在同步整流Buck拓扑中的性能

 

 

工作条件：

 

 

仿真结果：

 

低边开关管（同步整流）在不同死区条件下的损耗和结温对比

 

高边开关管在不同死区条件下的损耗和结温对比

 

从上述结果看，使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,可以得到更低的损耗，并且降低器件的温度。具体如下，死区时间200ns条件下，高边开关管使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H温度低8°C，低边开关管（同步整流）使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H温度低6°C。如果死区时间是500ns,使用同型号的G2和G1对比，高边和低边管分别差10°C和4°C。

 

 

CoolSiC MOSFET G2在Buck-Boost拓扑中的性能

 

 

仿真条件：

 

 

仿真结果：

 

从结果看，使用G2 IMZC120R034M2H / IMZC120R026M2H分别替代G1 IMZA120R040M1H / IMZC120R030M1H均可以得到更低的损耗和结温。

 

Boost/放电模式

Buck/充电模式

 

 

CoolSiC MOSFET G2在两电平逆变器拓扑中的性能

 

 

仿真条件：

 

 

仿真结果：

 

 

从上述结果看，使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,可以降低10%的损耗，并且每个器件的温度可以降低4°C。

 

 

CoolSiC MOSFET G2

在软开关应用中的使用

 

常用软开关DC/DC拓扑有LLC,CLLC,DAB：

 

LLC

CLLC

DAB

 

CoolSiC G2凭借先进的器件设计，所有优值FOM全方面领先。

 

RDSON x QGD (mΩ*µC)

RDSON x QOSS (mΩ*µC)

RDSON x EOSS(mΩ*µJ)

RDS x QG (mΩ*µC)

 

这些优值对应在不同应用场合的性能。其中，RDSON x QGD越小在硬开关应用中性能越好，RDSON x QOSS越小在软开关应用中性能越好，RDSON x EOSS越小在轻载应用中性能越好，RDS x QG越小，表示需要的门极功耗越小。

 

 

RDSON在DCDC软开关应用中是一个关键因素。CoolSiC MOSFET G2 的RDSON对温度的曲线对比G1有一个更大的变化系数，原因是RDSON的重要组成部分RDRIFT在沟槽MOSFET中占比较高，而RDRIFT对于温度变化更加敏感，使得RDSON在高温时增加较大。所以我们建议在软开关应用当中使用G2 34mΩ(IMZC120R034M2H / IMZA120R034M2H)来替代G1 40mΩ (IMZA120R040M1H)。

 

 

软开关仿真

 

 

仿真条件：

 

 

仿真结果：

 

 

使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,结温下降1°C，总损耗基本不变。使用G2 IMZC120R026M2H替代G1 IMZA120R030M1H,结温下降3°C，总损耗下降2.5W。

 

 

CoolSiC MOSFET G2

在应用中的设计建议

 

 

建议使用小于500ns的死区时间

 

SiC MOSFET的体二极管压降VSD(Vf，Vgs≤0V)对比沟道压降(Vgs≥15V)要高很多，减少死区时间，可以有效降低这部分导通损耗。同时，右图也显示，更小的死区时间，体二极管的反向恢复损耗也会更小。

 

 

 

建议使用小的驱动电阻来减小开关损耗

 

从下图不同驱动电阻下的开通和关断波形看，小的驱动电阻可以明显减小开关损耗。

 

 

 

推荐使用-5V做为关断Vgs，减小开关损耗

 

从下图实测数据看，对比Vgs18/0V和18/-5V,-5V做为关断电压Vgs，在大电流时，可以明显降低Eoff关断损耗，也可以降低一些Eon开通损耗。

 

 

综上所述，CoolSiC MOSFET G2通过改善设计，具有更低的单位面积电阻与开关损耗，有助于降低系统损耗与芯片结温。为充分发挥G2的优势，使用同步整流并缩小死区时间，使用尽可能低的门极电阻，并且使用负压关断，是减小损耗、提升效率的关键。