Utformning av effekt-MOSFET-kretsar

Huvudomriktare i elektrifierade fordon och ombordladdare (OBC) kräver högeffektiva krafthalvledare med brett bandgap, t.ex. SiC MOSFETs, som ger snabb växling med lågt påslagsmotstånd; dessutom klarar dessa halvledare högre spänningstransienter än vanliga IGBTs.

Cree's 1200 V 4H-SiC power MOSFET har ett lägre junction drop än kisel IGBTs, vilket minskar switchförlusterna och förbättrar effektiviteten samtidigt som effektiviteten ökar; dock kan tillförlitlighetsproblem fortfarande finnas.

Hög omkopplingshastighet

MOSFETs av kiselkarbid (SiC) är halvledarkomponenter som använder isolerade grindar för att reglera strömflödet i en strömförsörjning. De används i allt från solcellsväxelriktare och EV-laddare till solcellsväxelriktare och erbjuder högre blockeringsspänning, lägre switchförluster och högre effektivitet jämfört med sina motsvarigheter i kisel, samt lägre motstånd vid högre temperaturer än sina konkurrenter.

SiC power MOSFETs kan delas in i flera olika kategorier beroende på deras gate- och driftstruktur, inklusive planar MOSFETs och trench MOSFETs; andra klassificeras som superjunction MOSFETs; oavsett klassificering uppvisar dock dessa power MOSFETs överlägsna Baligas meritvärden, lägre on-resistans och genomslagsspänning än kisel SJ MOSFETs.

Sic power mosfets kräver snabb överföring av styrladdning från gate till drain för att uppnå hög switchhastighet, och för att klara detta måste gate-drivkretsen ge hög ström vid Miller-platåspänningsnivån. Annars uppstår ringning vid drivdonets utgång, vilket leder till elektromagnetisk störning (EMI). För att minimera denna risk måste Schottky-dioder med lågt spänningsfall i framled placeras mellan grind och bypass-kondensator för att minimera strömmen vid drivdonets utgång och undvika elektromagnetiska störningar (EMI).

Låg växlingsförlust

Kopplingsförlusten i effekt-MOSFET:er är en viktig faktor vid utformning av kretsar, eftersom minskad kopplingsförlust innebär att enheten fungerar mer effektivt. Ett sätt att minska kopplingsförlusten är att förbättra gateoxidstrukturen genom termiska oxidationsprocesser med högkvalitativa termiska oxidationsprocesser. Oxidskiktets kvalitet beror dock på olika faktorer som koncentrationen av oxidfällor nära gränssnittet, bulkfällor och gränssnittets tillståndstäthet (Dit).

MOSFETs av kiselkarbid har låg on-resistans, vilket gör dem till ett utmärkt val för kraftaggregat som t ex växelriktare för tåg, fordon och industriell utrustning. Tekniken kommer att spela en avgörande roll i övergången till förnybar energi och för att minska koldioxidutsläpp och energiförluster, men tillförlitligheten är fortfarande ett problem. För att komma till rätta med detta har Toshiba utvecklat en komponentstruktur som minskar RDS(on) och Ron*Qgd med över 20% jämfört med andra generationens produkter genom att optimera spridningsmotståndet och injicera kväve för att minska återkopplingskapacitansen.

Låg gate-drain-spänning

Att minska strömförbrukningen för gate-drivningen är avgörande för att uppnå höga växlingshastigheter med SiC MOSFETs. Beräkning av gate-source-spänning använder vanligtvis denna ekvation: P=(freq x Qg)/(1-gate-source-spänning). En drivkrets som är utformad med effektiva interna FET-drivfunktioner samtidigt som den parasitiska kapacitansen minimeras måste också utformas för att uppnå positiv toppdämpning av överhörningsspänningen och en acceptabel svängning nära tröskelspänningen för gate-drain-kanalen är idealisk.

Effekt-MOSFET:er i SiC har också låg RDS(ON), som varierar minimalt med temperaturen jämfört med kiselkomponenter - vilket bidrar till att maximera effektiviteten och minimera förlusterna i applikationer med hög strömstyrka och hög spänning.

Fiji Electric har utvecklat en 1,2 kV trench-gate SiC MOSFET med låg gate-source-spänning som gör den lämplig för motorstyrningar och strömförsörjningsapplikationer, inklusive motorstyrningar. Enheten har låg switchförlust och snabb svarstid, vilket gör den till ett attraktivt alternativ till IGBT eller Si MOSFET, samtidigt som den klarar höga temperaturer.

Hög effekttäthet

Nya effekthalvledare har hög effekttäthet, vilket gör dem lämpliga för många applikationer. En krets med hög effekttäthet kan bidra till att minska effektförlusterna och öka prestandan samtidigt som alla inblandade faktorer beaktas. Högre switchfrekvenser kräver t.ex. mindre transformatorer och EMI-filter samt tunnare driftlager för att minska on-state-motståndet.

WBG:s SiC-strömbrytare har överlägsna meritvärden jämfört med traditionella Si-enheter, vilket innebär att de har högre verkningsgrad och lägre förluster per kvadrattum vid mindre storlek. Dessutom arbetar de vid mycket högre hastigheter, vilket gör dem lämpliga för höghastighetsomvandlare som t.ex. resonanta DC/DC-omvandlare av typen LLC.

Full SiC MOSFET-moduler är idealiska för kraftsystem som kräver spänningsblock på 1700 V eller högre och som arbetar vid höga temperaturer på upp till 175 °C med jonisationstemperaturer på upp till 175 °C. Dessutom gör det lägre påslagningsmotståndet än hos konventionella kiselkomponenter att konstruktörerna kan minska komponentstorleken och kostnaden avsevärt, samtidigt som kylningen av basplattan med AlSiC-stiftfenor hjälper till att hantera de höga termiska påfrestningar som är typiska för dessa system.

Lågt värmemotstånd

SiC Power MOSFETs låga termiska motstånd gör dem lämpliga för användning i högeffektsapplikationer som trefasomvandlare och digitala nätaggregat, eftersom de har lägre switchförluster än motsvarande kiselprodukter [33]. De kan också klara applikationer med både hög ström och spänning utan att gå sönder [33].

Mätprocedurer för kylkurvor för SiC Power MOSFET kan dock kompliceras av elektriska och termiska transienter som inträffar samtidigt. En lång tMD kan avsevärt minska noggrannheten i uppskattningen av enhetens temperatur samt störa den termiska strukturfunktionen.

SemiQ använder olika testprocesser på sina SiC-krafthalvledare för att säkerställa tillförlitlighet, inklusive gate burn-in-tester på både wafernivå och högtemperatur reverse bias drain stress tests (HTRB), förutom att genomföra kombinerade högfuktighets-, högspännings- och högtemperaturstresstester som säkerställer överensstämmelse med industrins kvalitetsstandarder. SemiQ genomför också åldringstester på sina produkter för att garantera att de klarar höghastighetsdrift och stränga standarder för elektromagnetisk interferens (EMI) - och erbjuder därmed en omfattande portfölj av SiC-moduler som är lämpliga för elfordons- och motorapplikationer.