ST SiC Mosfet sätter nya riktmärken för elbilsväxelriktare

STMicroelectronics STPower MOSFET-teknik i kiselkarbid sätter nya standarder för energieffektivitet, densitet och robusthet - särskilt inom växelriktare för elbussar.

Yole Group, en leverantör av marknads-, teknik-, ingenjörs- och prestandaanalyser, och SERMA Technologies, en expert på elektroniktester, har gått samman för att analysera och jämföra fem diskreta SiC MOSFET-enheter i 1200 V-klassen tillverkade av Wolfspeed, ROHM, Infineon, STMicroelectronics och Anbonsemi under identiska testförhållanden.

Låg on-state-resistans per yta

ST är världsledande inom effekt-MOSFET:er i kiselkarbid (SiC) och fortsätter att leda innovationen kring dessa komponenter genom att dra nytta av deras överlägsna effektivitet och högre effekttäthet jämfört med kiselkomponenter. Den senaste generationen är skräddarsydd för användning i framtida inverterarplattformar för elbilar för att ytterligare minska storleken och ge energibesparingspotential.

Denna nästa generations SiC MOSFET har särskilt utvecklats för att leverera betydligt lägre on-state-resistans (RDS(on)) per area på en mindre chip, vilket möjliggör mer kompakta konstruktioner med färre komponenter och lägre kostnader.

Lägre RDS(on) per area gör det möjligt för konstruktörer att utveckla mer energieffektiva och mindre system för elfordon, vilket ger längre räckvidd, snabbare laddningstid och minskad energiförbrukning. Dessutom resulterar lägre RDS(on) per area i färre parasitkapacitanser, vilket ytterligare bidrar till ökad energieffektivitet och mindre systemstorlek.

SiC MOSFETs lavinrobusthet är beroende av maximal gate drive-spänning och DC-bussspänning, men mekanismen för stressnedbrytning skiljer sig dramatiskt från IGBTs kortslutningsfelmekanism; därför är det viktigt att förstå underliggande fenomen för att skapa tillförlitliga modeller. Våra resultat visar att Vth och Rds(on) gradvis minskar efter upprepad lavinbelastning medan parasitkapacitanser som Ciss, Coss och Crss ökar med upprepad belastning.

Hög effekttäthet

St sic MOSFETs ger effektivare konstruktioner i applikationer med stora effektbehov, t.ex. laddare för elfordon, strömförsörjning för servrar och energisystem. Deras högre switchfrekvenser och minskade parasiteffekter, t.ex. elektromagnetisk interferens (EMI), bidrar till att öka kretsarnas prestanda och tillförlitlighet, tack vare mycket lägre on-state-motstånd per area och värmehantering än traditionella power MOSFETs i kisel.

STMicroelectronics fjärde generation STPOWER MOSFET-teknik i kiselkarbid (SiC), Generation 4, sätter nya standarder för energieffektivitet och densitet. Den är speciellt anpassad för användning i traktionsomvandlare - nyckelkomponenter i drivlinor för elfordon - och ger mer prisvärd laddningskapacitet samt snabbare hastighet för premiummodeller av elfordon.

SiC MOSFET:er med 650 och 1200 V-klassning har några av marknadens lägsta RDS(on) x Area-förhållanden och switchförluster, vilket ger mer kompakta, effektiva och kostnadseffektiva kraftomvandlare - med högre energieffektivitet, lägre totala systemkostnader och ökad tillförlitlighet.

Dessa komponenter har en nollspänningsswitch (ZVS), vilket gör att de fungerar tillförlitligt utan negativ förspänning - vilket eliminerar kostsamma grinddrivningskretsar och sparar kostnader för energieffektivitet och effekttäthet. Dessutom ökar energieffektiviteten och effekttätheten ytterligare tack vare det lägre tillkopplingsmotståndet och den snabba omkopplingen. Dessutom ger deras 7-åriga livslängdsprogram konstruktörerna förtroende för att dessa långtidsenheter är tillgängliga och kostnadseffektiva lösningar.

Hög tillförlitlighet

STPOWER MOSFETs i kiselkarbid ger avancerad effektivitet, tillförlitlighet och robusthet i effektomvandlare för elfordon och andra applikationer som kräver hög energieffektivitet, effekttäthet, snabba kopplingstider eller energibesparing. Dessa enheter finns i olika moderna kapslingar som HiP247, H2PAK-7 long leads TO-247 TO PAK och STPAK och är ett perfekt komplement till växelriktare eller högeffektiva nätaggregat.

Även om SiC MOSFETs har en fördelaktig 650-V-klassificering jämfört med Si kraftkomponenter, utgör de fortfarande utmaningar i vissa kraftomvandlingsapplikationer. Gateoxiddegradering förvärrar nedbrytningen under vissa tuffa påfrestningar som kortslutningsspänning (SC) eller lavinspänning och måste beaktas noga för att minimera nedbrytningen av enheten.

STMicroelectronics har vidtagit åtgärder för att övervinna dessa begränsningar genom att öka enhetens prestanda och tillförlitlighet för sin tredje generation 650 V SiC MOSFET. Deras mest avancerade komponent, en 2 kV 4H-SiC MOSFET, har en häpnadsväckande livslängd som överträffar alla traditionella IGBT:er när de utsätts för PCT-stress vid höga temperaturer. Tack vare en minskad celldelning och en möjlig optimering av dopantfördelningen i driftområdet uppnår denna generation också lägre RDS(on). Den här enheten uppvisar också exceptionell tillförlitlighet under DRB-tester (Dynamic Reverse Bias) och överträffar AQG324-standarden för fordonsindustrin. I denna första volym i serien Discretes Performance Comparison Analysis 2024 jämförs fem diskreta SiC MOSFET:er i 1200 V-klassen från globala leverantörer samt en Si IGBT under identiska testförhållanden.

Material med brett bandgap

Halvledare med brett bandgap är idealiska för kraftelektroniktillämpningar tack vare sitt större energigap och sin förmåga att fungera vid högre temperaturer samtidigt som effektförlusterna minskar jämfört med första generationens halvledarmaterial som kisel. Halvledare med brett bandgap har dessutom högre elektronrörlighet som gör det möjligt att driva kretsar med högre switchfrekvenser för mer energieffektiva och kompakta system.

Ökade krav på energieffektivitet har lett till att forskarna har börjat undersöka nya halvledarmaterial för kraftförsörjning, där kisel har fått ge vika för två alternativ - kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) som ses som mer fördelaktiga alternativ, särskilt för användning i högspänningsapplikationer. Kisel sågs en gång som en dominerande utmanare, men har nyligen fått ge vika för båda dessa alternativ som krafthalvledarlösningar.

Kiselkarbid (SiC) och GaN har bredare bandgap än första generationens halvledarmaterial, vilket ger högre driftspänningar, lägre temperaturer och minskad energiförlust. Dessutom är SiC/GaN-enheter mindre och lättare än motsvarande kiselkomponenter, vilket minskar komponentstorleken/kostnaden samtidigt som systemets prestanda ökar.

STMicroelectronics presenterade nyligen sin tredje generationens 650 V SiC MOSFET med hjälp av den branschaccepterade Figure of Merit (FoM). Enligt STMicroelectronics erbjuder enheten enastående on-resistans RDS(on)-värden och har en högre kvalitetsfaktor än ledande konkurrenter tack vare en 20% reducerad gate array pitch och optimerad dopantfördelning i driftregionen. Med så höga prestandastandarder på plats kommer konstruktörerna nu att kunna designa nätaggregat som är lämpliga för inverterare för förnybar energi, batteriladdare eller elfordon baserat på dessa parametrar.