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基于SiC双极结型晶体管的高能效设计

分类:IGBT专题 发布:2017年06月19日 22:32 浏览:687次 Tag:

  在过去30多年中,诸如MOSFET和IGBT之类的CMOS替代产品在大多数电源设计中逐渐取代基于硅的BJT,但是今天,基于碳化硅的新技术为BJT赋予了新的意义,特别是在高压应用中。

  碳化硅布局以同等或更低的损耗实现更高的开关频率,并且在相同形状因数的情况下可产生更高的输出功率。运用了SiC BJT的设计也将使用一个更小的电感,并且使成本显著降低。虽然运用碳化硅工艺生产的BJT相较于仅基于硅的BJT会更昂贵,但是使用SiC技术的优势在于可在其它方面节省设计成本,从而实现更低的整体成本。本文介绍的升压转换器设计用于光伏转换阶段,其充分利用SiC BJT的优势,在显著降低系统成本的同时可实现良好的效率。

  SIC BJT的优势

  基于硅的BJT在高压应用中失宠有几方面原因。首先,Si BJT中的低电流增益会形成高驱动损耗,并且随着额定电流的增加,损耗变得更糟。双极运行也会导致更高的开关损耗,并且在器件内产生高动态电阻。可靠性也是一个问题。在正向偏压模式下运行器件,可能会在器件中形成具有高电流集中的局部过温,这可能导致器件发生故障。此外,电感负载切换过程中出现的电压和电流应力,可能会导致电场应力超出漂移区,从而导致反向偏压击穿。 这会严格限制反向安全工作区(RSOA),意味着基于硅的BJT将不具有短路能力。

  在运用SIC BJT中不存在同样的问题。与硅相比,碳化硅支持的能带间隙是其三倍,可产生更大的电流增益,以及更低的驱动损耗,因此BJT的效率更高。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍,因此器件不太容易受到热击穿影响,并且要可靠得多。碳化硅在更高的温度下表现更出色,因此应用范围更为广泛,甚至包括汽车环境。

  从成本角度而言,碳化硅的高开关频率在硬件级可实现成本节约。虽然相较于基于纯硅,基于碳化硅的BJT更昂贵,但SiC工艺的高功率密度将会转换为更高的芯片利用率,并且支持使用更小的散热器和更小的过滤器元件。从长远来看,使用更昂贵的碳化硅BJT实际上更省钱,因为整体系统的生产成本更低。我们设计的升压转换器就是一个例子。它设计用于额定功率为17千瓦的光伏系统中,具有600伏的输出电压,输入范围为400到530V。

  管理效率

  BJT的驱动器电路能够减少损耗和提高系统效率。驱动器做了两件事:对器件电容迅速充放电,实现快速开关;确保连续提供基极电流,使晶体管在导通状态中保持饱和状态。

  为了支持动态操作,15V的驱动器电源电压引起更快的瞬态变化,并提高性能。SiC BJT的阈值电压约为3V。通常情况下无需使用负极驱动电压或米勒钳位来提高抗扰度。

  SiC BJT是一个“常关型”器件,并且仅在持续提供基极电流时激活。选择静态操作的基极电流值会涉及到传导损耗和驱动损耗间的折衷平衡。尽管有较高的增益值(因此会形成较低的基极电流),驱动损耗对SiC BJT仍非常重要,由于SiC布局具有较宽能带间隙,因此必须在基极和发射极间提供一个更高的正向电压。将基极电流增加一倍,从0.5A增加到1A,仅降低正向等效电阻10%,因此需要降低传导损耗,同时使饱和度转变为较高水平。这是我们设计升压转换器的一个重要考虑因素,因为它会在更高的电流纹波下运行。1A的基极电流会使开关能力增加至40A。

  静态驱动损耗是选定驱动电压和输入电压的一个函数(间接表示占空比值)。实现高开关速度需要 15V的驱动电压,产生约8W的损耗,主要集中在基极电阻上。为了弥补这方面的损耗,对于动态和静态操作,我们通常使用两个单独的电源电压。图1提供了示意图。高压驱动器的控制信号会“中断”,因此它仅在开关瞬态期间使能。静态驱动阶段使用较低电压,从而可以降低静态损耗,并在整个导通期间保持激活状态。

  

  图1:使用两个电源电压降低损耗

  减小滤波器的尺寸

  在更高的开关频率下运行,可降低无源元件的成本。为了进一步提高功率密度,我们着眼于改善滤波器电感的方法。在评估了各种核心材料的能力后,我们选择了一种使用Vitroperm 500 F(一种薄夹层式纳米晶体材料)制成的新型磁芯材料。该材料产生的损耗低,且在高频率下运转良好。此外也可在高饱和磁通值下运行,这意味着该材料比类似的铁氧体磁芯(图2右侧)要小得多。使用 Virtoperm磁芯构成的滤波电感器,约为参照系统的四分之一大小。

  

  图2:用作频率函数的不同芯材的电感器大小,以及与Vitroperm和铁氧体磁芯的大小比

  图2显示了在最大电流纹波(40%)下对于不同材料将电感器尺寸作为开关频率函数的因素。在此,我们假设电感量近似为电感值,而这又取决于峰值磁通密度和开关频率。在达到指定的临界点(在100mW/cm时定义的特定损耗)后,需要降低峰值磁通量以避免过热,从而在该点之外运行将不会导致其大小显著减小。频率一定时,Vitroperm500F可在所有材料中实现最佳性能。

  

  图3:48kHz时的效率和驱动损耗,以及原型图

  图3显示了测得的效率级,包括采用两阶段解决方案的驱动损耗。根据计算得出的损耗分布如下图曲线所示。该系统可以在没有达到临界温度或饱和度的情况下达到高电流负载。该两阶段驱动解决方案会将驱动损耗降低至输入功率的0.02%左右。整体损耗更低使得所需的散热片尺寸减小,且更高的开关频率允许使用更小的过滤器元件。所有这些特性最终有助于降低系统成本。

  SIC BJT特性:

  SiC BJT的特性可归结为以下三点:1)有史以来最高效的1200V功率转换开关---最低的总损耗,包括开关、传导及驱动器损耗。所有1200V器件中最低的开关损耗(任意RON条件下);2)简单直接的驱动----常关功能降低了风险和复杂程度,并减少了限制性能的设计。稳定的基极输入,对过压/欠压峰值不敏感;3)强健且可靠---额定工作温度高:Tj=175°C。由于RON具有正温度系数,增益具有负温度系数,因此易于并联。稳定持久的Vbe正向电压和反向阻隔能力。

  

  图4:SIC BJT特性

  SIC BJT与SI IGBT比较:

  与IGBT相比,飞兆半导体最近开发出的碳化硅(SiC) BJT功率器件可实现效率和功率密度的大幅提升,无论在元件还是系统级,这可帮助设计工程师在其设计中满足成本的要求,以及改善功率密度、可靠性和效率。

  SiC BJT可提供更高的开关频率和更低的损耗,从而可在相同系统尺寸下实现更高的输出功率,并降低无源元件的成本,因为它允许使用更小的电感、电容和散热器。

  SiC BJT可提供目前市场上最低的传导损耗,因为它的导通电阻每平方厘米只有2.2毫欧姆,它的开关总损耗也是最低的,包括驱动器损耗。SiC BJT直流增益大于70。

  SiC BJT可提供更高的开关频率,它开与关之间的转换时间只有20ns,而且这一性能与工作温度无关。更重要的一点是,SiC BJT开关转换时没有尾流。

  

  图5:SIC BJT与SI IGBT比较

  SIC BJT应用领域

  今天的很多电子应用诸如可再生能源、工业控制系统和移动电源都要求高效率、小尺寸和重量轻。SiC BJT刚好可以满足以上要求,与今天的任何其他晶体管(如MOSFET和IGBT)相比,它可提供业内最高的效率,同时它还消除了许多尺寸、重量、温度和效率方面的折中考虑。

  在改善效率领域,SiC BJT针对的目标应用包括:太阳能逆变器、充电桩、移动电源、电机驱动、PFC输入级、DC-AC转换器、焊接系统和DC-DC转换器。

  与此同时,SiC BJT的另一大独特性能优势是它可以在高温下提供可靠的开关操作,这在油气钻探、能量收集、商业航空、特定的汽车和工业设计应用中是至关重要的。在高温应用领域,SiC BJT针对的目标应用包括:马达和涡轮控制、安全监控、高温马达驱动、高温执行器控制和高温DC转换器。

  SIC BJT可实现低传导损耗、高击穿场强度,并且可在更广泛的温度范围内稳定运行。在驱动器电路中使用两个电源电压,可降低驱动损耗,实现良好效率。更高的开关频率允许使用更小的电感器,从而在系统级实现显著的成本节约。高压应用(如光伏逆变器)将受益于高功率密度、更低系统成本和简易的设计。

 
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