Cree MOSFET i kiselkarbid

Wolfspeed tillhandahåller ett isolerat grinddrivdon för att skydda styrkretsar från höga spänningar som uppstår vid strömkonvertering. Dessutom levereras denna design komplett med en BOM för att underlätta användningen av Broadcom optokopplare för förstärkt galvanisk isolering.

Effektivitetstester som utförts på första generationens SiC MOSFETs jämfört med kisel IGBTs visar att den nya komponenten kan öka den totala systemeffektiviteten med så mycket som två procent genom att arbeta med tre gånger snabbare switchfrekvenser än de som används med konventionella kiselkomponenter.

Storlek

MOSFETs av kiselkarbid representerar en spännande utveckling inom krafthalvledartekniken. Sic MOSFETs arbetar vid högre spänningar och temperaturer än sina motsvarigheter i kisel och hjälper till att minska effektförlusterna när effektomvandlingskretsar använder energieffektiva effektomvandlingsmetoder, vilket revolutionerar industrier samtidigt som det erbjuder hållbara alternativ till konventionella enheter.

Cree introducerade sin SiC-effekttransistor CMF20120D, världens första i sitt slag. Denna enhet, som är klassad till 1200V och har 80mO on-resistans, fungerade som en idealisk ersättning för Si IGBTs trots att den medförde högre kostnader på grund av snabbare växling och ökad effektivitet. Även om den var dyrare, motiverade dess överlägsna prestanda mer än väl dessa extra kostnader.

För närvarande finns det ett stort antal leverantörer som tillverkar SiC-krafthalvledare, t ex CREE/Wolfspeed, Microsemi, Infineon, GeneSiC och ST. Alla erbjuder olika spännings- och strömnivåer samt förpackningsalternativ som klarar temperaturer upp till 210 grader Celsius.

Dessa chip har en planar eller trench-design med en pMOSFET gate-oxid-struktur och låg RDS(on) vid höga temperaturer jämfört med standard MOSFETs, vilket gör det möjligt för konstruktörer att öka switchfrekvenserna för optimala kraftomvandlingsdesigner; deras effektivitet kan till och med överträffa den hos befintliga kisel-MOSFETs med tre gånger!

Vikt

Crees power-MOSFET i kiselkarbid är utformad för att uppfylla alla krav på högspänningsbrytare och erbjuder ökad effektivitet till samma kostnad som ledande IGBT-enheter i kisel. Den har en blockeringsspänning på otroliga 650 V, vilket gör det möjligt för konstruktörer att uppfylla eller överträffa även de strängaste kraven på effekttäthet och effektivitet, t.ex. de som anges i 80 Plus Titanium-kraven för serverkraft, samtidigt som den erbjuder upp till 70% högre densitet än nuvarande kiselbaserade lösningar.

Jämfört med kisel-IGBT:er kan CMF20120D-enheten minska switchförlusterna med så mycket som 50% och öka systemeffektiviteten 2-3 gånger när den används vid dubbla switchfrekvensen. Dessutom ger den ultralåga laddningen för omvänd återställning av dioden mindre parasiter, vilket bidrar till lägre drifttemperaturer och lägre drifttemperaturer.

C2M0025120D-enheten är kompatibel med standardkretsar för grinddrivdon och kan kombineras med SiC Schottky-dioder från företaget för att skapa kompletta kraftmodullösningar. Med sin pulserande strömstyrka och positiva temperaturkoefficient är den här enheten ett perfekt tillskott för medicinska bildbehandlingsapplikationer som CT-system som kräver minskad switchförlust (vilket gör att fläktar kan tas bort utan att ersättas).

Denna enhet levereras i en D2Pak-7L ytmonterad kapsling och har låg on-resistans (QG mindre än 100nC) över sitt rekommenderade ingångsspänningsområde, tillsammans med den lägsta gate drive-energin för någon 1200V SiC MOSFET som finns tillgänglig idag. Dessutom har denna MOSFET också ett nominellt spänningsfall över det rekommenderade strömområdet med ett framledningsfall på mindre än 2 V vid 20 A strömnivåer.

Effektivitet

SiC MOSFETs och IGBTs uppvisar betydligt högre effektivitet jämfört med traditionella MOSFETs och IGBTs av kisel, på grund av lägre switchförluster och mindre beroende av spänning/frekvens än deras motsvarigheter av kisel. Detta resulterar i högre omvandlingsverkningsgrad med lägre total ägandekostnad i kraftelektronikapplikationer.

1200V SiC MoSfet är en idealisk ersättning för kisel-IGBT:er i 3-10kW PV-växelriktare och andra högspända likströmsaggregat, t.ex. UPS-system och industriella motorstyrningar. Dessutom möjliggör denna enhet betydande storleks- och viktminskningar samt dubbelt så högt maximalt vridmoment än motsvarande kiselkrafthalvledare.

1200V SiC MOSFET finns i både TO-247-förpackade chips och plastförpackningar, var och en utformad för optimal systemkostnad och prestanda. De paketerade enheterna har en blockeringsspänning på 1200 V med 80 mO on-resistans medan dies har en resistans på 25 mOhm för att kunna användas som 50 amp byggstenar i högeffektsmoduler. Flera enheter kan parallellkopplas för optimal systemkostnad och prestanda.

Tillförlitlighet

Kvalitetsservice från din tillverkare är avgörande för att ditt designprojekt ska bli framgångsrikt. Förutom kvalificeringstestning är det viktigt att beakta enhetstimmar och modeller för livslängdsförutsägelse för kraftenheter; dessa verktyg hjälper till att förutsäga MTTF (Mean Time to Failure) för kiselkrafthalvledare.

Studier genomfördes för att analysera kortslutningssäkerheten hos 1200 V SiC metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer (MOSFETs) tillverkade av olika tillverkare och visade att de kan motstå höga överspänningsströmmar utan skador i både kanalledning och icke-ledningslägen. För att undersöka deras skademekanism utfördes anatomiska undersökningar på två misslyckade enheter, vilket visade att skador hade uppstått mellan gate och source.

Sentaurus TCAD-simuleringar inkluderade enhetsmodeller och Spice elektriska modeller samt parasitkomponenter, vilket tog hänsyn till deras effekter under transientsimuleringar med blandade lägen.

Tillförlitligheten hos SiC MOSFET beror i hög grad på två parametrar, blockeringsspänning och grindspänning. Blockeringsspänningen avgör hur mycket ström som kan passera under kortslutningsförhållanden medan grindspänningen påverkar effektförlusten och risken för termisk skenande. För optimal design för att förhindra dessa problem skulle det vara fördelaktigt att använda en optokopplare med common mode-rejection, t.ex. Broadcom ACPL-4800, som hjälper till att avlägsna högt common mode-brus som annars kan orsaka felaktig styrning av SiC-krafthalvledare under växling.