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    [導讀]基于硅 (Si) 的電力電子產品長期以來一直主導著電力電子行業。由于其重要的優勢,碳化硅(SiC)近年來在市場上獲得了很大的空間。隨著新材料的應用,電子開關的靜態和動態電氣特性得到了顯著改善。

    碳化硅MOSFET

    基于硅 (Si) 的電力電子產品長期以來一直主導著電力電子行業。由于其重要的優勢,碳化硅(SiC)近年來在市場上獲得了很大的空間。隨著新材料的應用,電子開關的靜態和動態電氣特性得到了顯著改善。理想的開關具有以下特點:

    · 具有無限切換速度;

    · 可以通過大電流而沒有電壓降;

    · 可以處理高壓;

    · 其電流通過通道(通常為DS)電阻為零;

    · 它不會在兩個邏輯狀態之間的轉換中造成能量損失。

    硅不能提供卓越的性能,用這種材料制成的設備不會表現出高效率。碳化硅MOSFET結合了幾乎理想開關的所有特性,讓您可以使用性能非常高的設備進行操作。它的主要優點包括提高效率和可靠性、減少熱問題以及減少物理占用空間。由于開關損耗降低,最終系統可以在較低溫度下工作,從而實現更輕、更經濟的電路,因為 SiC 的熱導率遠大于硅的熱導率。換言之,一個低功率的 SiC 系統可以替代一個具有相同性能的高功率硅系統。此外,開關頻率可以顯著提高,從而可以大大減小電路的尺寸。SiC 器件可以在 175°C 的溫度下工作。SiC Mosfet 的特性不會因溫度和電流而變化很大(然而,碰巧的是,與硅)。由于所有這些優勢,SiC Mosfet 可用于各種應用:

    預計使用高壓直流電的能量傳輸;

    電動汽車,驅動電動汽車發動機和電池充電電路;

    鐵路部門,用于驅動功率為數百萬瓦的電機;

    光伏領域:用于驅動負載和為蓄電池充電。

    通過 PWM 信號激活和停用 SiC MOSFET 的典型用途。使用的 SiC MOSFET 為 UF3C065080T3S 型號,具有以下基本特性:

    · 封裝:TO-220-3L;

    · 漏源電壓(VDS):650 V;

    · 柵源電壓 (VGS):-25° C 至 +25° C;

    · 連續漏極電流 (ID):31 A;

    · 脈沖漏極電流 (IDM):65 A;

    · 功耗(Ptot):190 W;

    · 最高結溫 (Tjmax):175° C。

    該示例將其與 BJT 功率晶體管進行比較。當兩個電子開關被激活時,大約 4.8 A 的電流通過負載。驅動頻率相當高,約為 100 kHz。有趣的是,在每個信號周期,SiC MOSFET 的激活僅發生在 30 納秒內,而 BJT 的飽和發生在大約 500 納秒內,這對于此類應用來說是不可接受的時間。正是由于這個原因,BJT 在高頻電源解決方案中被拋棄了。該器件的高速允許其低功耗。事實上,采用 SiC MOSFET 的解決方案平均耗散 1 瓦的功率,而采用 BJT 的解決方案平均耗散 12 瓦的功率。

    GaN MOSFET

    氮化鎵是一種具有直接帶隙的半導體材料,其最重要的特性是能夠在高溫下處理非常高的電壓。這些類型的器件可確保在開關應用中實現更高的效率和更少的開關損耗。氮化鎵提供更好的導熱性、更高的開關速度,并允許構建比傳統硅器件更小的物理器件。換句話說,在充電和放電循環期間的功率損耗很低,它們占用的 PCB 空間也更少。使用GaN MOSFET,它們提高了最終解決方案的能源效率和可靠性。GaN 組件有望從根本上改變電力電子領域,使用新型半導體材料制成的電子組件的成本和可靠性越來越接近硅組件。GaN 器件的開啟和關閉速度比其他類型的電子開關快得多。事實上,它的平均開啟時間比傳統 MOSFET 短約 4 或 5 倍。GaN 器件需要一個驅動器來確保它們完美地開啟和關閉。要導引 GaN 器件,始終建議為柵極端子提供其最大容許電壓。這樣一來,ON狀態就一目了然了。采用 GaN 器件的一個重要優勢是顯著降低 Rds (on),或器件處于導通狀態時的內阻。此外,與硅相比,大帶隙提高了在更高溫度下的性能,以至于近年來使用 GaN MOSFET 的應用數量呈指數級增長。以下示例涉及 EPC2032 模型,該樣本配備了一些允許焊接的突起并具有非常相關的特性,包括:

    · 漏源電壓(VDS,連續):100 V;

    · 漏極到源極電壓(在 150?C 時高達 10,000 個 5 ms 脈沖):120 V;

    · 持續電流 (ID):48 A;

    · 脈沖電流:340 A;

    · 漏源導通電阻 (Rds (on) ):3 毫歐;

    · 柵源電壓 (VGS):-4 V 至 6 V;

    · 非常高的開關頻率;

    · 工作溫度 (TJ):-40° C 至 +150° C。

    第一個觀察結果涉及根據圖 4 的靜態狀態下的應用方案確定器件的 Rds (on)。在靜態狀態下,該電阻極低(僅 0.002853 歐姆)并且允許幾乎零耗散在示例中,電子開關僅等于 1.29 W,相對于 1997 W 的負載,等效效率為 99.94%。

    溫度總是會影響任何電子元件。幸運的是,GaN 器件受熱變化的影響不大,雖然 Rds 相對可變,但電路的效率始終很高。圖中的兩張圖分別顯示了 Rds 參數隨電壓 Vgs和結溫變化的趨勢。Rds (on)的溫度系數為正,即隨溫度升高而增加。

    結論

    在本文中,我們非常廣泛地研究了電力電子的一些重要部分。市場上還有其他組件結合了先前所見的優點并消除了它們的一些負面影響。其中我們可以包括例如 GTO 和 GCT,它們是可以承受許多 kV 電壓和幾 kA 電流的特殊晶閘管。它們可以通過門終端打開和關閉。具有大帶隙的材料,例如GaN 和 SiC,現在可以降低設計成本,同時減小電源解決方案的尺寸。材料的帶隙取決于其原子之間化學鍵的強度。而新材料使設計人員能夠從各個角度在系統性能方面取得非常重要的成果。


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