用于充電樁電源模塊的國產高可靠性碳化硅(SiC)MOSFET

 

適用于充電樁直流快充電源模塊的國產高可靠性碳化硅(SiC)MOSFET-傾佳電子專業分銷

 

BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET兩大主要特色：

 

1.出類拔萃的可靠性：相對競品較為充足的設計余量來確保大規模制造時的器件可靠性。

BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列擊穿電壓BV值實測在1700V左右，高于市面主流競品，擊穿電壓BV設計余量可以抵御碳化硅襯底外延材料及晶圓流片制程的擺動，能夠確保大批量制造時的器件可靠性，這是BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET最關鍵的品質. 

 

2.可圈可點的器件性能：同規格較小的Crss帶來出色的開關性能。

BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET反向傳輸電容Crss 在市面主流競品中是比較小的，帶來關斷損耗Eoff也是市面主流產品中非常出色的，優于部分海外競品，特別適用于LLC應用.

 

Ciss：輸入電容（Ciss＝Cgd＋Cgs） ⇒柵極-漏極和柵極-源極電容之和：它影響延遲時間；Ciss越大，延遲時間越長。BASiC基半第二代SiC碳化硅MOSFET 優于主流競品。

Crss：反向傳輸電容（Crss＝Cgd） ⇒柵極-漏極電容：Crss越小，漏極電流上升特性越好，這有利于MOSFET的損耗，在開關過程中對切換時間起決定作用，高速驅動需要低Crss。

Coss：輸出電容（Coss＝Cgd＋Cds）⇒柵極-漏極和漏極-源極電容之和：它影響關斷特性和輕載時的損耗。如果Coss較大，關斷dv／dt減小，這有利于噪聲。但輕載時的損耗增加。

 

基半B2M第二代碳化硅MOSFET器件主要特色：

• 比導通電阻降低40%左右

• Qg降低了60%左右

• 開關損耗降低了約30%

• 降低Coss參數，更適合軟開關

• 降低Crss，及提高Ciss/Crss比值,降低器件在串擾行為下誤導通風險

• 最大工作結溫175℃• HTRB、 HTGB+、 HTGB-可靠性按結溫Tj=175℃通過測試

• 優化柵氧工藝，提高可靠性

• 高可靠性鈍化工藝

• 優化終端環設計，降低高溫漏電流

• AEC-Q101

 

傳統的直流充電樁拓撲電路一般是三相交流380V輸入電壓經過PFC維也納 AC/DC電路后，得到直流母線電壓，然后經過全橋LLC DC/DC電路，輸出 200V到1000V高壓給新能源汽車充電使用。其中PFC維也納電路AC/DC的開關頻率 40kHz 左右，一般用使用 650V的超結MOSFET或者 650V 的IGBT，劣勢是器件多，硬件設計復雜，效率低，失效率高。新一代直流充電樁拓撲電路會把原來的PFC維也納整流升級為采用第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的三相全橋PFC整流。這樣將大大減少功率器件數量，簡化控制電路的復雜性，同時通過提高開關頻率來降低電感的感量，尺寸和成本。DC/DC全橋LLC部分，升級為采用第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的DC/DC電路，可以從原來的兩組串聯二電平全橋LLC或三電平全橋移相ZVS或三電平全橋LLC或兩組串聯二電平全橋移相優化為一組兩電平LLC。這樣可以極大簡化拓撲電路，減少元器件的數量，控制和驅動更加簡單。基于第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的高頻特性，可以提高LLC電路的開關頻率，從而減少磁性器件的尺寸和成本。由于LLC電路是軟開關工作模式，損耗集中在開關管的導通損耗上和關斷損耗上，第二代SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z Eoff相對競品更小，在高頻LLC應用優勢明顯，由于拓撲結構的原因，流過LLC中SiC碳化硅MOSFET的電流有效值是Si MOSFET電流的一半，所以最終導通損耗大大減小。新一代采用SiC碳化硅MOSFET B2M040120Z的直流充電樁拓撲電路可以提升0.3~0.5%左右的效率。

 

LLC，移相全橋等應用實現ZVS主要和Coss、關斷速度和體二極管壓降等參數有關。Coss決定所需諧振電感儲能的大小，值越大越難實現ZVS；更快的關斷速度可以減少對儲能電感能量的消耗，影響體二極管的續流維持時間或者開關兩端電壓能達到的最低值；因為續流期間的主要損耗為體二極管的導通損耗.在這些參數方面，B2M第二代碳化硅MOSFET跟競品比，B2M第二代碳化硅MOSFET的Coss更小，需要的死區時間初始電流小；B2M第二代碳化硅MOSFET抗側向電流觸發寄生BJT的能力會強一些。B2M第二代碳化硅MOSFET體二極管的Vf和trr 比競品有較多優勢，能減少LLC里面Q2的硬關斷的風險。綜合來看，比起競品，LLC，移相全橋應用中B2M第二代碳化硅MOSFET表現會更好.

 

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碳化硅MOSFET具有優秀的高頻、高壓、高溫性能，是目前電力電子領域最受關注的寬禁帶功率半導體器件。在電力電子系統中應用碳化硅MOSFET器件替代傳統硅IGBT器件，可提高功率回路開關頻率，提升系統效率及功率密度，降低系統綜合成本。

 

基半第二代碳化硅MOSFET系列新品基于6英寸晶圓平臺進行開發，比上一代產品在比導通電阻、開關損耗以及可靠性等方面表現更為出色。在原有TO-247-3、TO-247-4封裝的產品基礎上，基半還推出了帶有輔助源極的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封裝的碳化硅MOSFET器件，以更好地滿足客戶需求。

 

基半第二代碳化硅MOSFET亮點

更低比導通電阻：第二代碳化硅MOSFET通過綜合優化芯片設計方案，比導通電阻降低約40%，產品性能顯著提升。

 

更低器件開關損耗：第二代碳化硅MOSFET器件Qg降低了約60%，開關損耗降低了約30%。反向傳輸電容Crss降低，提高器件的抗干擾能力，降低器件在串擾行為下誤導通的風險。

 

更高可靠性：第二代碳化硅MOSFET通過更高標準的HTGB、HTRB和H3TRB可靠性考核，產品可靠性表現出色。

 

更高工作結溫：第二代碳化硅MOSFET工作結溫達到175°C，提高器件高溫工作能力。

 

碳化硅 (SiC) MOSFET出色的材料特性使得能夠設計快速開關單極興器件，替代升級雙極性 IGBT  （絕緣柵雙極晶體管）開關。碳化硅 (SiC) MOSFET替代IGBT可以得到更高的效率、更高的開關頻率、更少的散熱和節省空間——這些好處反過來也降低了總體系統成本。SiC-MOSFET的Vd-Id特性的導通電阻特性呈線性變化，在低電流時SiC-MOSFET比IGBT具有優勢。

與IGBT相比，SiC-MOSFET的開關損耗可以大幅降低。采用硅 IGBT 的電力電子裝置有時不得不使用三電平拓撲來優化效率。當改用碳化硅 (SiC) MOSFET時，可以使用簡單的兩級拓撲。因此所需的功率元件數量實際上減少了一半。這不僅可以降低成本，還可以減少可能發生故障的組件數量。SiC MOSFET 不斷改進，并越來越多地加速替代以 Si IGBT 為主的應用。 SiC MOSFET 幾乎可用于目前使用 Si IGBT 的任何需要更高效率和更高工作頻率的應用。這些應用范圍廣泛，從太陽能和風能逆變器和電機驅動到感應加熱系統和高壓 DC/DC 轉換器。

 

隨著自動化制造、電動汽車、先進建筑系統和智能電器等行業的發展，對增強這些機電設備的控制、效率和功能的需求也在增長。碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破重新定義了歷史上使用硅 IGBT (Si IGBT) 進行功率逆變的電動機的功能。這項創新擴展了幾乎每個行業的電機驅動應用的能力。Si IGBT 因其高電流處理能力、快速開關速度和低成本而歷來用于直流至交流電機驅動應用。最重要的是，Si IGBT 具有高額定電壓、低電壓降、低電導損耗和熱阻抗，使其成為制造系統等高功率電機驅動應用的明顯選擇。然而，Si IGBT 的一個顯著缺點是它們非常容易受到熱失控的影響。當器件溫度不受控制地升高時，就會發生熱失控，導致器件發生故障并最終失效。在高電流、電壓和工作條件常見的電機驅動應用中，例如電動汽車或制造業，熱失控可能是一個重大的設計風險。

 

電力電子轉換器提高開關頻率一直是研發索所追求的方向，因為相關組件（特別是磁性元件）可以更小，從而產生小型化優勢并節省成本。然而，所有器件的開關損耗都與頻率成正比。IGBT 由于“拖尾電流”以及較高的門極電容的充電/放電造成的功率損耗，IGBT 很少在 20KHz 以上運行。SiC MOSFET在更快的開關速度和更低的功率損耗方面提供了巨大的優勢。IGBT 經過多年的高度改進，使得實現性能顯著改進變得越來越具有挑戰性。例如，很難降低總體功率損耗，因為在傳統的 IGBT 設計中，降低傳導損耗通常會導致開關損耗增加。

 

作為應對這一設計挑戰的解決方案，SiC MOSFET 具有更強的抗熱失控能力。碳化硅 的導熱性更好，可以實現更好的設備級散熱和穩定的工作溫度。SiC MOSFET 更適合較溫暖的環境條件空間，例如汽車和工業應用。此外，鑒于其導熱性，SiC MOSFET 可以消除對額外冷卻系統的需求，從而有可能減小總體系統尺寸并降低系統成本。

 

由于 SiC MOSFET 的工作開關頻率比 Si IGBT 高得多，因此它們非常適合需要精確電機控制的應用。高開關頻率在自動化制造中至關重要，高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確物體放置。此外，與 Si IGBT 電機驅動器系統相比，SiC MOSFET 的一個顯著優勢是它們能夠嵌入電機組件中，電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼內。使用SiC MOSFET 作為變頻器或者伺服驅動功率開關器件的另一個優點是，由于 MOSFET 的線性損耗與負載電流的關系，它可以在所有功率級別保持效率曲線“平坦”。SiC MOSFET變頻伺服驅動器的柵極電阻的選擇是為了首先避免使用外部輸出濾波器，以保護電機免受高 dv/dt 的影響（只有電機電纜長度才會衰減 dv/dt）。 SiC MOSFET變頻伺服驅動器相較于IGBT變頻伺服驅動器在高開關頻率下的巨大效率優越性.

 

盡管 SiC MOSFET 本身成本較高，但某些應用可能會看到整個電機驅動器系統的價格下降（通過減少布線、無源元件、熱管理等），并且與 Si IGBT 系統相比總體上可能更便宜。這種成本節省可能需要在兩個應用系統之間進行復雜的設計和成本研究分析，但可能會提高效率并節省成本。基于 SiC 的逆變器使電壓高達 800 V 的電氣系統能夠顯著延長電動汽車續航里程并將充電時間縮短一半。

 

碳化硅 (SiC) MOSFET功率半導體技術代表了電力電子領域的根本性變革。SiC MOSFET 的價格比 Si MOSFET 或 Si IGBT 貴。然而，在評估碳化硅 (SiC) MOSFET提供的整體電力電子系統價值時，需要考慮整個電力電子系統和節能潛力。需要仔細考慮以下電力電子系統節省： 第一降低無源元件成本，無源功率元件的成本在總體BOM成本中占主導地位。提高開關頻率提供了一種減小這些器件的尺寸和成本的方法。 第二降低散熱要求，使用碳化硅 (SiC) MOSFET可顯著降低散熱器溫度高達 50%，從而縮小散熱器尺寸和/或消除風扇，從而降低設備生命周期內的能源成本。 通常的誘惑是在計算價值主張時僅考慮系統的組件和制造成本。在考慮碳化硅 (SiC) MOSFET的在電力電子系統里的價值時，考慮節能非常重要。在電力電子設備的整個生命周期內節省能源成本是碳化硅 (SiC) MOSFET價值主張的一個重要部分。