Wolfspeeds 3:e generationens SiC MOSFET ger högpresterande switchfördelar i ett litet paket

MOSFETs av kiselkarbid (SiC) har blivit ett attraktivt alternativ till IGBT-enheter av kisel i komponenter som är dimensionerade för 1 kV eller högre, eftersom de erbjuder högpresterande switchfördelar i ett litet paket. Wolfspeeds 3:e generationens SiC MOSFET, C3M0075120D, ger denna högpresterande switch i en allt vanligare lösning.

Kiselkomponenter har många fördelar jämfört med metalloxidkomponenter, bland annat lägre on state-motstånd och högre blockeringsspänning. Därför är de här komponenterna idealiska för motorstyrningar, avbrottsfri kraftförsörjning (UPS) och solcellsväxelriktare.

Effekttäthet

I takt med att efterfrågan på effekt fortsätter att öka, ökar också kraven på mindre komponenter och högre effektivitet. Kraftkomponenter av kiselkarbid (SiC) erbjuder potentiella lösningar på dessa utmaningar genom att erbjuda högre switchfrekvenser, lägre ledningsmotstånd och bredare temperaturområden, vilket leder till ökad effekttäthet samt drift vid högre temperaturer samtidigt som värmeutvecklingen i kretsarna minskar.

SiC MOSFETs kan användas i många olika applikationer, bland annat AC/DC-omvandlare, DC/DC-omvandlare och avbrottsfri strömförsörjning. Det lägre ledningsmotståndet, den snabbare kopplingshastigheten och det större temperaturområdet ger konstruktörerna större designfrihet jämfört med traditionella kiselkomponenter; dessutom klarar de högre anslutningstemperaturer, vilket bidrar till att sänka de totala systemkostnaderna och öka tillförlitligheten.

SiC-baserade MOSFET:er har en stor fördel jämfört med sina motsvarigheter i kisel, nämligen att de klarar större utgångskapacitans, vilket gör att tillverkarna kan använda mindre externa gatemotstånd och ändå uppnå samma utspänning - något som är särskilt användbart i komplexa kretstopologier som LLC-resonansströmomvandlare.

Även om SiC-baserade kraftkretsar har många fördelar hävdar många experter fortfarande att kisel-MOSFET:er är relevanta på grund av deras boost-funktionalitet som kräver en body-diod med högre tröskelspänning än kisel-MOSFET:er, vilket minskar effektivitetsvinsterna. Därför är det viktigt att dödtiden för SiC MOSFET:er optimeras med SCALE gate drivers för att säkerställa maximal effektivitetsvinst.

Hög effektivitet

Under många år har forskare arbetat intensivt med att utveckla bättre strömavkopplande kiselkretsar. Tyvärr hade deras ansträngningar nått sin gräns och ny teknik var nödvändig. SiC MOSFETs erbjöd lösningen - att öka switchfrekvenserna utan att öka effektförlusterna eller värmeutvecklingen var nyckeln till att nå nya prestandanivåer.

SiC MOSFETs har högre kritiska elektriska genomslagsfält (VDS) än sina motsvarigheter i kisel, vilket gör att de kan arbeta med högre märkspänning och snabbare växlingshastigheter för högre effekttäthet. Dessutom har SiC MOSFETs lägre gate-läckströmmar och minskad Miller turn-on-förlust, vilket bidrar till att öka effektiviteten.

SiC MOSFETs har utmärkt temperaturbeständighet. Till skillnad från kiseltransistorer med superövergång (SJT) och bipolära transistorer med integrerad grind (IGBT) är SiC MOSFETs konstruerade för att klara högre temperaturer utan att deras egenskaper försämras, vilket gör dem lämpliga för användning i applikationer som laddare för elbilar, UPS-enheter och växelriktare för solceller.

För att maximera effektiviteten använder många tillverkare av SiC MOSFETs separata Schottky-barriärdioder på både drain- och source-sidan för att sänka body-drain-spänningen och minska switchförlusterna, samt öka slew rate för snabba switchhastigheter. Dessutom tillhandahåller flera företag SCALE-grinddrivdon som är speciellt utformade för att driva SiC MOSFETs; sådana drivdon är en viktig del av alla högeffektiva effektomkopplingsdesigner.

Brett bandgap

Halvledare med breda bandgap har revolutionerat elektroniken. Halvledare med breda bandgap, som kan arbeta vid högre temperaturer och växelspänningar/frekvenser än sina kiselbaserade föregångare, erbjuder många ytterligare fördelar samtidigt som de är mycket mer energieffektiva än sina kiselmotsvarigheter.

Den största fördelen med krafthalvledare med brett bandgap är att de har ett större energigap, vilket gör att de kan växla vid högre frekvenser och spänningar utan att förlora i effektivitet, samtidigt som de har lägre växlingsförluster än konventionella kiselkomponenter.

Halvledare med brett bandgap har också hög elektronrörlighet, vilket gör det lättare att överföra ström mellan source- och drain-terminalerna och ger lägre on-resistans och lägre ohmska förluster, vilket ökar effektiviteten.

SiC-komponenter har högre elektronrörlighet än konventionella kiselkomponenter, vilket möjliggör högre kopplingsfrekvenser tack vare det bredare bandgapet som ger en tunnare utarmningsregion som minskar on-motståndet och on-motståndet.

SiC MOSFETs har visat sig vara idealiska för applikationer som traktionsomvandlare, motordrifter och DC-DC-omvandlare på grund av deras fördelar när det gäller tillförlitlighet och skadeförebyggande. weEn Semiconductors SCALE-grinddrivdon ger en lämplig grinddrivkrets som styr positiva och negativa drivspänningar för SiC MOSFETs med hjälp av resonanta LLC-topologier, vilket möjliggör tillförlitlig drift vid högre switchfrekvenser utan att orsaka ZVS (nollspännings stående) överhörningsproblem.

Lägre motstånd mot påslag

Effekt-MOSFET:er av kiselkarbid (SiC) har lägre genomgångsresistans, vilket gör dem lämpliga för användning i kraftelektronikkretsar utan alltför stora förluster. Dessutom har SiC-enheter lägre switchförlust än konventionella Si-enheter, vilket ytterligare minskar de totala systemförlusterna. Tyvärr kräver en sänkning av det specifika on-motståndet att tillförlitligheten hos gateoxiden förbättras; en extremt utmanande uppgift som ännu inte har optimerats fullt ut i kommersiella SiC power MOSFETs.

Motståndet hos en MOSFET beror på olika faktorer, bland annat dess driftområde och antalet fria elektroner i inversionskanalen. Temperaturen spelar en viktig roll här och resistansen kommer att skilja sig åt över driftområdet för varje MOSFET-enhet.

SiC MOSFETs erbjuder utmärkt ON-resistans vid ökande spänningsnivåer, vilket gör dem idealiska för användning i högspänningsapplikationer som traktionsomvandlare och motorstyrningar.

ROHM erbjuder ett stort urval av SiC power MOSFETs med lågt ON-motstånd. Dessa enheter kommer i kompakta paket för att möta olika applikationer; typiskt är att ju större chipytan är, desto lägre är dess ON-resistans. Dessutom har ROHMs SiC MOSFETs ett visst motstånd från sitt paket på grund av inaktiva områden som används för terminering och skrivarbanor som inte leder ström.