利用SiC FET降低電磁干擾和開(kāi)關(guān)損耗
發(fā)布時(shí)間:2021-08-20 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】器件緩沖似乎是處理開(kāi)關(guān)過(guò)沖、振鈴和損耗的一種“野蠻”解決方案,而這對(duì)于諸如IGBT之類較老的技術(shù)來(lái)說(shuō)確實(shí)如此。但是,寬禁帶器件,尤其是SiC FET,可以將該技術(shù)用為柵極電阻調(diào)諧的優(yōu)良替代方案,以提供較低的總損耗。
器件緩沖似乎是處理開(kāi)關(guān)過(guò)沖、振鈴和損耗的一種“野蠻”解決方案,而這對(duì)于諸如IGBT之類較老的技術(shù)來(lái)說(shuō)確實(shí)如此。但是,寬禁帶器件,尤其是SiC FET,可以將該技術(shù)用為柵極電阻調(diào)諧的優(yōu)良替代方案,以提供較低的總損耗。
在這個(gè)寬禁帶半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的新時(shí)代,器件的類型選擇包括SiC MOSFET和GaN高電子遷移率晶體管(HEMT),它們都有自己特性并都聲稱擁有最佳的性能。但是,這兩種都還不是理想的開(kāi)關(guān),這兩種類型的器件都在某些方面有局限性,特別是在柵極驅(qū)動(dòng)要求方面和“第三象限”操作方面。
SiC FET提供了另一種選擇
但我們還有另一種選擇。 UnitedSiC FET是SiC JFET和低壓Si MOSFET的一種級(jí)聯(lián)組合,具有SiC的速度優(yōu)勢(shì),以及SiC最低傳導(dǎo)損耗的優(yōu)點(diǎn),并且僅需要一個(gè)簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)和一個(gè)快速、低功耗的體二極管用于第三象限傳導(dǎo)(圖1)。
圖1:SiC FET — SiC JFET和Si MOSFET的級(jí)聯(lián)組合。
SiC FET的速度非常快,其邊沿速率為50V/ns甚至更高,這對(duì)于最大程度降低開(kāi)關(guān)損耗非常有用,但所產(chǎn)生的di/dt比值可達(dá)數(shù)安培/納秒。通過(guò)封裝和電路電感,這會(huì)產(chǎn)生極高的電壓過(guò)沖并導(dǎo)致隨后的電壓振鈴現(xiàn)象。在這種電流變化速率下,可簡(jiǎn)單分析得出,即使幾十納亨(nH)也可能產(chǎn)生數(shù)百伏的過(guò)沖(從公式E = –L(di/dt)得出)。對(duì)于快速切換的寬禁帶器件,將這種雜散電感降至最低至關(guān)重要。但是,這在實(shí)際的布線中卻很難實(shí)現(xiàn),因?yàn)椴季€要求必須在高壓組件之間保留安全距離,并且為了獲得更好的熱性能需要使用更大的半導(dǎo)體封裝。
過(guò)沖有超過(guò)器件額定電壓的風(fēng)險(xiǎn),并給元器件的長(zhǎng)期使用增添了壓力,但是快速變換的邊緣也會(huì)引起絕緣擊穿,并會(huì)產(chǎn)生更多的EMI,導(dǎo)致需要使用更大、更昂貴且損耗更高的濾波器。因此,實(shí)際電路通常會(huì)故意降低此類快速開(kāi)關(guān)的邊沿速率,從而允許使用可能具有更低傳導(dǎo)損耗和更小濾波器的低壓器件,用來(lái)抵消稍高的開(kāi)關(guān)損耗。
緩慢的開(kāi)關(guān)邊沿可減少過(guò)沖和EMI
有兩種常見(jiàn)的減慢開(kāi)關(guān)邊沿速率的方法:通過(guò)增添柵極電阻和通過(guò)在器件的漏極-源極端之間使用一個(gè)緩沖器。
增加?xùn)艠O電阻確實(shí)會(huì)降低dV/dt,從而減少過(guò)沖,但是對(duì)漏極電壓隨后出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)象幾乎沒(méi)有影響。柵極電阻的減慢效果取決于器件的總柵極電荷,而電荷又取決于諸如柵極-源極電容和“米勒”效應(yīng)等的參數(shù)。當(dāng)器件切換時(shí),這些參數(shù)會(huì)表現(xiàn)為可變的柵極-漏極電容。導(dǎo)通和關(guān)斷的延遲可以分別通過(guò)使用兩個(gè)帶控向二極管的柵極電阻來(lái)控制,但是,想要在所有工作條件下都達(dá)到這種總體優(yōu)化的效果是有難度的。此外,增加?xùn)艠O電阻會(huì)給柵極驅(qū)動(dòng)波形帶來(lái)延遲,這在高頻應(yīng)用中會(huì)是個(gè)大問(wèn)題。
相反,簡(jiǎn)單的Rs-Cs緩沖器可通過(guò)增加開(kāi)關(guān)的漏極電容來(lái)減慢dV/dt。它還有一個(gè)額外的效果:由于一些電流需要用來(lái)給Cs充電,因此器件關(guān)斷時(shí)電壓上升和電流下降之間的重疊會(huì)減少,從而降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí),必須限制電容器的放電電流,因此要串聯(lián)一個(gè)電阻,當(dāng)器件關(guān)斷時(shí),該電阻還可以抑制振鈴。缺點(diǎn)是電阻器在此過(guò)程中不可避免地會(huì)消耗一些功率,并且半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)效率的增益會(huì)在一定程度上會(huì)被抵消。
緩沖器可以成為更低損耗的解決方案
SiC FET技術(shù)開(kāi)發(fā)商UnitedSiC的研究表明,與單單增加?xùn)艠O電阻相比,僅需一個(gè)非常小的緩沖電容和一個(gè)相應(yīng)的低功率電阻即可實(shí)現(xiàn)對(duì)dV/dt、過(guò)沖和振鈴更有效的控制。當(dāng)小型緩沖器件與較低的Rg結(jié)合使用時(shí),會(huì)產(chǎn)生更低的總損耗和更清晰的波形。這種方法對(duì)UnitedSiC的FET和傳統(tǒng)的SiC MOSFET都適用。圖2比較了一個(gè)有200 pF/10Ω緩沖器的器件(左)和一個(gè)添加了5Ω柵極電阻的器件(右)的振鈴現(xiàn)象和dV/dt。雖然兩種方法在關(guān)斷時(shí)都差不多調(diào)諧到了相同的 峰值,但有緩沖器的版本明顯有著更短的延遲時(shí)間和更好的振鈴阻尼。
圖2:使用RC器件緩沖可降低dV/dt,ID/重疊以及SiC MOSFET的振鈴。(ID = 50 A,V = 800 V,TO247-4L;左:SiC MOSFET的關(guān)斷波形,Rg.off = 0Ω,Rs = 10Ω,Cs = 200 pF;右:SiC MOSFET的關(guān)斷波形,Rg.off = 5Ω,無(wú)器件緩沖)。
總損耗包含傳導(dǎo)損耗、上升和下降沿上的開(kāi)關(guān)損耗,以及緩沖電阻中的任何功率消耗。通過(guò)與SiC MOSFET器件進(jìn)行比較,在UnitedSiC上進(jìn)行的測(cè)試表明,在高漏極電流下,當(dāng)峰值電壓調(diào)諧相當(dāng)時(shí),采用緩沖方案的關(guān)斷能量損耗(EOFF)僅為單單采用柵極電阻時(shí)的50%。同時(shí)導(dǎo)通能耗(EON)略高(僅約10%),對(duì)于一個(gè)以40 kHz和48 A / 800 V開(kāi)關(guān)的40mΩ器件來(lái)說(shuō),一個(gè)周期約275 µJ(或11 W)的緩沖器對(duì)其總體上的影響是正面的。這種比較在圖3中以藍(lán)色和黃色的曲線表示。黑色曲線代表了一個(gè)有緩沖器且優(yōu)化了柵極導(dǎo)通和關(guān)斷電阻的40mΩ UnitedSiC SiC FET器件的性能,與測(cè)量的SiC MOSFET相比,SiC FET的輸出電容更低,本征速度更快,因此其損耗得到了進(jìn)一步降低。
圖3:比較SiC開(kāi)關(guān)有無(wú)緩沖器時(shí)的總開(kāi)關(guān)損耗。
緩沖電容器在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期里都充分地充電和放電,但要注意的是,這些存儲(chǔ)的能量并沒(méi)有全部消耗在電阻器上。實(shí)際上,大多數(shù)CV2能量是在器件開(kāi)啟時(shí)消耗的。在引用示例中,在40 kHz,ID為 40 A,VDS為 800 V以及有著一個(gè)220-pF /10-Ω緩沖器的情況下,總功率消耗約為5 W,但電阻僅占0.8W,其余的都在開(kāi)關(guān)中消耗了。這樣就可以使用額定電壓合適的小尺寸電阻器(即使是表面貼裝型也可以)。
UnitedSiC的器件具有D2pk7L和DFN8×8以及TO247-4L封裝形式,可實(shí)現(xiàn)最佳的熱性能。 TO247-4L封裝的部件與源極之間有開(kāi)爾文連接,可有效消除源極電感的影響,減少了開(kāi)關(guān)損耗,并在高漏極di / dt時(shí)生成更干凈的柵極波形。
結(jié)論
器件緩沖似乎是處理開(kāi)關(guān)過(guò)沖、振鈴和損耗的一種“野蠻”解決方案,而這對(duì)于諸如IGBT之類較老的技術(shù)來(lái)說(shuō)確實(shí)如此,因?yàn)樗鼈兊?ldquo;尾電流”長(zhǎng),需要大型且有損的緩沖網(wǎng)絡(luò)。但是,寬禁帶器件,尤其是SiC FET,可以將該技術(shù)用為柵極電阻調(diào)諧的優(yōu)良替代方案,以提供較低的總損耗,并且可以采用緊湊、廉價(jià)的元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(文章來(lái)源:ednchina)
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測(cè)試庫(kù)獲得德國(guó)萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無(wú)線開(kāi)發(fā)平臺(tái)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來(lái)更多臺(tái)式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器, 以推動(dòng)不斷增長(zhǎng)的IO-Link市場(chǎng)
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無(wú)線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 讓汽車LED照明無(wú)死角,LED驅(qū)動(dòng)的全面進(jìn)化
- 開(kāi)關(guān)模式電源問(wèn)題分析及其糾正措施:晶體管時(shí)序和自舉電容問(wèn)題
- 熱電偶的測(cè)溫原理
- 【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件
- ADALM2000實(shí)驗(yàn):變壓器
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
電容器公式
電聲器件
電位器
電位器接法
電壓表
電壓傳感器
電壓互感器
電源變壓器
電源風(fēng)扇
電源管理
電源管理IC
電源連接器
電源濾波器
電源模塊
電源模塊
電源適配器
電子書(shū)
電阻測(cè)試儀
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開(kāi)關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動(dòng)力電池
動(dòng)力控制
獨(dú)石電容
端子機(jī)
斷路器
斷路器型號(hào)