Qorvo SiC steigert Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Kosteneffizienz in industriellen Stromversorgungssystemen

Qorvo sic bietet eine innovative Reihe von Leistungsmodulen aus Siliziumkarbid (SiC) an, die für 1200-V-Anwendungen ausgelegt sind und die Leistungsdichte, Effizienz und Kosteneffizienz in industriellen Stromversorgungssystemen erheblich verbessern.

Diese MOSFETs basieren auf einer SiC-JFET-Kaskodenschaltung und bieten im Vergleich zu planaren MOSFETs geringere Leitungsverluste und eine einfachere Gate-Ansteuerung.

Hoher Wirkungsgrad

SiC-Bauelemente haben herkömmliche Silizium-Bauelemente (Si) in Bezug auf die Effizienz der Leistungsumwandlung weit hinter sich gelassen. SiC hat sich aufgrund seiner hohen Spannungswerte und überlegenen Umwandlungseffizienz zur bevorzugten Halbleiterlösung für Elektrofahrzeuge, industrielle Stromanwendungen, Stromkreisschutzanwendungen und erneuerbare Technologien entwickelt.

Die Anstiegsgeschwindigkeit des SiC-Bauelements begrenzt das Überschwingen von VDS und das Klingeln durch die Verwendung von Dämpfungsgliedern, die aus dem Kondensator Cs und dem Widerstand Rs bestehen (Abbildung 8). Abbildung 9 zeigt deren Auswirkungen auf die Schaltverluste unter harten Schaltbedingungen.

Die 1200V Gen 4 SiC FET-Bauelemente von Qorvo zeichnen sich durch einen niedrigen On-Widerstand (RDS(on)), eine reduzierte Body-Diode VF zur Verringerung der normalen Leitungsverluste im dritten Quadranten und eine niedrige Gate-Ladung zur weiteren Minimierung der Schaltverluste bei schnellen Schaltanwendungen aus. Zusammen mit dem geringen Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Gehäuse ermöglichen diese Merkmale eine höhere Leistungsdichte und Effizienz.

SiC-FET-Module mit Standard-Gate-Antrieb sind speziell darauf zugeschnitten, die thermomechanische Belastung an den Drahtbond-Schnittstellen während der Leistungszyklen zu minimieren und die Lebensdauer im Vergleich zu diskreten Modulen zu verdoppeln, um eine lange Lebensdauer des Systems zu gewährleisten.

Niedriger On-Widerstand

Die Gen 4 SiC-FETs von Qorvo zeichnen sich durch einen branchenführenden Durchlasswiderstand aus, der es den Entwicklern ermöglicht, Energie zu sparen, indem sie Leistungsverluste durch externe Kühlkörper vermeiden. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für hocheffiziente DC-Leistungswandler, die bei oder über der 1.200-V-Schwelle arbeiten.

Im Vergleich zu Si-MOSFETs ermöglicht die kleinere Chipgröße der SiC-JFETs von Qorvo einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand pro Bauteilfläche, was zu deutlich geringeren Schaltverlusten und parasitären Effekten und damit zu einem niedrigeren thermischen Widerstand des Systems führt.

SiC-FETs weisen eine vorteilhafte Kaskodenstruktur auf. Wenn Strom durch sie fließt, schalten sich ihre Vorwärtskörperdioden automatisch ein, wodurch eine zusätzliche Gate-Treiberschaltung überflüssig wird und Kosten gespart werden, während gleichzeitig die Benutzerfreundlichkeit verbessert wird; so können Entwickler umfassende Lösungen in kleineren Gehäusen entwickeln.

Snubber mit niedrigem Rg gleichen die hohen Einschaltverluste von SiC-FETs besonders effektiv aus und machen das ZVS-Soft-Switching effizienter, da die Energie aus der Drain-zu-Source-Kondensator-Energie zur erneuten Verwendung in ZVS-Soft-Switching-Zyklen recycelt wird. Abbildung 7 zeigt diese Effektivität, da die Verwendung von Dämpfungsgliedern mit niedrigerem Rg-Offset die Schaltverluste im Vergleich zu einem Aufbau ohne Rgoff-Dämpfungsglieder verringert; dadurch werden SiC-E1B-Module bei Soft-Switching-Anwendungen mit ZVS-Soft-Switching-Anwendungen äußerst kostengünstig.

Niedriges EMI

Qorvo SiCs UJ400-Serie von Normal-on-SiC-JFET-Transistoren zeichnet sich durch einen ultraniedrigen Durchlasswiderstand von 4 mO oder weniger und eine hohe Gate-Ladung (QG) aus, was zu geringeren Leitungs- und Schaltverlusten und damit zu einer höheren Leistungsdichte führt. Diese Eigenschaft macht den UJ400 zu einem effektiven Schaltkreisunterbrecher-Halbleiter, der MOSFETs und IGBTs ersetzen kann, wenn höhere Spannungen, schnellere Betriebsfrequenzen und geringere Leistungsverluste erforderlich sind.

Die Module UHB25SC12E1BC3N (1200V, 25A, 35mO Vollbrücke) und UHB100SC12E1BC3N (1200V, 100A, 9,3mO Halbbrücke) nutzen eine gestapelte Kaskodenstruktur, um eine höhere Leistung als herkömmliche Si-MOSFET-Module mit hohen Rg-Werten zu erzielen. Ihr Design erleichtert die Reduzierung der Verlustleistung durch synchrone Gleichrichtung, wenn SiC-MOSFETs PN-Dioden leiten; außerdem entfällt der Bedarf an Snubber-Widerständen, die in der Standardkonfiguration erheblich zu den Abschaltverlusten beitragen.

Die stapelbare Struktur hilft den Modulen auch, die doppelte Anzahl von Leistungszyklen im Vergleich zu Standard-SiC-MOSFET-Modulen zu erreichen. Dies ist dem gesinterten Die-Attach zu verdanken, der stärkere und zuverlässigere Verbindungen als das Löten bietet und die thermisch-mechanische Belastung an der Draht-Bond-Schnittstelle bei wiederholten Leistungszyklen reduziert, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit und einer längeren Lebensdauer bei Leistungszyklen im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen führt - und damit zu höheren Leistungsdichten bei kleineren Endgeräten und einer höheren Energieeffizienz.

Niedriger Wärmewiderstand

Die Siliziumkarbid (SiC)-Feldeffekttransistoren (FETs) von Qorvo können hohen Einschaltströmen bei Stromkreisfehlern standhalten, während sie in ihrem “normal-ein”-Zustand verbleiben - was aufwendige Kühlsysteme überflüssig macht und platzbeschränkte Abmessungen ermöglicht. Ihr kleiner Formfaktor unterstützt die Platzbeschränkungen, da sie den Übergang von elektromechanischen Stromkreisunterbrechern zu halbleiterbasierten Halbleiterstromkreisunterbrechern (SSCBs) beschleunigen.

Die SiC-FETs von Qorvo nutzen eine Kaskodenschaltungskonfiguration, um einen JFET mit einem Silizium-MOSFET in einem Gehäuse zu kombinieren. Sie bieten alle Vorteile der Wide-Bandgap-Schaltertechnologie mit der einfachen Gate-Ansteuerung von Silizium-MOSFETs für eine optimierte Reduzierung der Verlustleistung und reduzierte Systemkosten durch eine geringere Gesamtverlustleistung. Durch diese Kombination werden die Leistungsverluste weiter minimiert und die Kosten für die Gesamtverlustleistung des Systems gesenkt.

SiC-FETs weisen im Vergleich zu Silizium-MOSFETs niedrigere Sperrschichttemperaturen auf, was die durch Leitung und Rekombination bedingten Leistungsverluste reduziert und den Entwicklern hilft, enge dv/dt-Spezifikationen zu erfüllen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen, und so die Schaltfrequenz und die Gesamteffizienz des Systems zu erhöhen.

Der niedrige Rdson-Wert von Qorvo SiC ermöglicht Entwicklern die Verwendung kürzerer Leitungen, wodurch Kosten und Leiterplattenfläche reduziert werden. Außerdem ermöglicht dies kleinere Kühlkörper, die zu einer höheren Gesamtsystemeffizienz und Leistungsdichte führen. Der geringere Wärmewiderstand von SiC verbessert auch die Zuverlässigkeit, da weniger Degradation aufgrund höherer Momentantemperaturen auftritt, selbst bei Automobilanwendungen.