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在SiC FET的帮助下再次发现完美开关

2021-06-25 UnitedSiC公司 阅读:
完美的半导体开关一直是功率设计师的梦想,而SiC FET是目前最接近的选择。

摘要

完美的半导体开关一直是功率设计师的梦想,而SiC FET是目前最接近的选择。Iacednc

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有趣的是,有时候,事情是进步还是恶化取决于人们的视角。从人们利用电以来,就存在完美开关,至少18世纪的伏打等实验者们是如此认为的,他们以铜、木头和陶瓷为材料制造了一个电绝缘器件。它在闭合时几乎没有任何电阻,在断开时几乎没有任何漏电。只要体积足够大,它可以经受任何高压。完美开关不成问题。Iacednc

半导体让我们离开了完美开关

真空管是首个电子开关,它体积大、损耗高且脆弱,而早期的晶体管距离理想开关又远了一步,它电阻高、击穿电压低,不过,当然,它的开关速度比任何机械器件都要快得多。这两种开关的体积小,因而只能处理微小的电流。在肖克利及其团队发现晶体管后的75年中,工程师们努力实现像伏打的开关一样的理想解决方案,同时他们不得不让开关以MHz的频率更快地开关,维持小体积并提高额定电流。Iacednc

推动晶体管向着更高功率电平发展的应用当然是开关模式的供电,它可在没有电动发电机组的情况下高效实现直流功率转换。1959年,SMPS概念获得专利,1970年,双极面结型晶体管(BJT)首次应用于商业应用中,也就是Tektronix 7000系列示波器。它在该应用中取得了成功,但是在更高的功率下会难以高效驱动,且除非频率为几十kHz,否则开关损耗难以接受。早在1960年,快速且易于驱动的MOSFET就获得了专利,但是早期的版本有显著的导通电阻,由于I2R中的平方效果,这会在大电流下产生大功耗。不过IGBT的发明则是一个突破,它完美结合了MOSFET的简单栅极驱动与BJT的通态特性。直至今日,它仍然是极高功率转换器的实用解决方案。不过,实用并不意味着理想。为避免极高功率应用中出现不可接受的动态损耗,IGBT的开关频率必须维持在大约10KHz下,因而必须使用大体积、大重量且昂贵的磁性元件。与此同时,可在500kHz左右开关的MOSFET得到改进,产生了最新的“超结”类型,该类型现在主导了直流转换和交直流转换的中低功率范围应用。Iacednc

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现代功率半导体的大致应用领域Iacednc

为了弥补IGBT和硅MOSFET应用领域之间的差距,人们探索了以碳化硅和氮化镓为材料的宽禁带半导体。这种半导体能带来更低的开关和导通损耗,因为材料的电子迁移率更好、电气强度更高,因而能实现更小的器件、更低的电容和更小的导电沟道长度。使用新材料制造开关带来了许多难题,包括将实用基片与GaN HEMT单元一起使用带来的热膨胀系数不匹配和SiC MOSFET中的“晶格缺陷”与“基底平面错位”,这些都会降低性能和可靠性。制造工艺的改进会不断提升性能,而这些器件,尤其是SiC MOSFET,现已成为主流产品,正在逐渐占领传统的IGBT高功率应用。Iacednc

禁带器件在某些方面有所退步

然而,在某些方面,SiC MOSFET和GaN HEMT单元有所退步,它们并不像硅MOSFET一样容易驱动,所需的栅极电压级对于优化性能和可靠性十分重要,而且对于SiC,该阈值代表变化范围广,且有迟滞。SiC MOSFET栅氧化层的可靠性也受到质疑,GaN HEMT单元没有雪崩额定值,因而不得不让额定电压大幅降低。另一个退步是反向导电时的器件性能,这种反向导电是“换向”带来的,也就是电感负荷造成的电流自动反向流动。SiC MOSFET的体二极管在正向偏压下的压降约为4V,且在随后的反向偏压下有明显的反向恢复损耗。当GaN器件的电流换向时,它通过沟道导电,且无反向恢复问题,但是压降也很高,且会随栅极驱动而变。Iacednc

从历史中发现未来

向着正确方向发展需要“回顾”旧技术,也就是硅MOSFET和SiC JFET共源共栅,这被制造商和技术领袖UnitedSiC称为“SiC FET”。它在整体损耗方面的性能表征优于SiC MOSFET或GaN HEMT单元,它的栅极驱动并不关键且有稳定阈值,它的体二极管速度快、恢复损耗低且压降仅约1.5V。此外,这种器件有十分可靠的雪崩额定值和短路额定值,这些值不受栅极驱动影响。器件有650V、750V、1200V和1700V几个电压等级,导通电阻降至7毫欧,且有多种封装,大部分零件符合AEC-Q101标准,能减轻任何可能有的对可靠性的担忧。Iacednc

此外,这些器件快速开关带来的挑战可采用简单的RC缓冲电路解决,从而管理关闭过冲和振铃,并让这些SiC FET实现最佳性能。Iacednc

完美开关近在眼前了吗?设计师们总是想要更好的,但是SiC FET器件肯定已经非常接近理想开关了。Iacednc

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