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基于SiC雙極結型晶體管的高能效設計

分類:IGBT專題 發布:2017年06月19日 22:32 瀏覽:688次 Tag:

福彩3d字谜 www.ixlzt.com   在過去30多年中,諸如MOSFET和IGBT之類的CMOS替代產品在大多數電源設計中逐漸取代基于硅的BJT,但是今天,基于碳化硅的新技術為BJT賦予了新的意義,特別是在高壓應用中。

  碳化硅布局以同等或更低的損耗實現更高的開關頻率,并且在相同形狀因數的情況下可產生更高的輸出功率。運用了SiC BJT的設計也將使用一個更小的電感,并且使成本顯著降低。雖然運用碳化硅工藝生產的BJT相較于僅基于硅的BJT會更昂貴,但是使用SiC技術的優勢在于可在其它方面節省設計成本,從而實現更低的整體成本。本文介紹的升壓轉換器設計用于光伏轉換階段,其充分利用SiC BJT的優勢,在顯著降低系統成本的同時可實現良好的效率。

  SIC BJT的優勢

  基于硅的BJT在高壓應用中失寵有幾方面原因。首先,Si BJT中的低電流增益會形成高驅動損耗,并且隨著額定電流的增加,損耗變得更糟。雙極運行也會導致更高的開關損耗,并且在器件內產生高動態電阻??煽啃砸彩且桓鑫侍?。在正向偏壓模式下運行器件,可能會在器件中形成具有高電流集中的局部過溫,這可能導致器件發生故障。此外,電感負載切換過程中出現的電壓和電流應力,可能會導致電場應力超出漂移區,從而導致反向偏壓擊穿。 這會嚴格限制反向安全工作區(RSOA),意味著基于硅的BJT將不具有短路能力。

  在運用SIC BJT中不存在同樣的問題。與硅相比,碳化硅支持的能帶間隙是其三倍,可產生更大的電流增益,以及更低的驅動損耗,因此BJT的效率更高。碳化硅的擊穿電場強度是硅的10倍,因此器件不太容易受到熱擊穿影響,并且要可靠得多。碳化硅在更高的溫度下表現更出色,因此應用范圍更為廣泛,甚至包括汽車環境。

  從成本角度而言,碳化硅的高開關頻率在硬件級可實現成本節約。雖然相較于基于純硅,基于碳化硅的BJT更昂貴,但SiC工藝的高功率密度將會轉換為更高的芯片利用率,并且支持使用更小的散熱器和更小的過濾器元件。從長遠來看,使用更昂貴的碳化硅BJT實際上更省錢,因為整體系統的生產成本更低。我們設計的升壓轉換器就是一個例子。它設計用于額定功率為17千瓦的光伏系統中,具有600伏的輸出電壓,輸入范圍為400到530V。

  管理效率

  BJT的驅動器電路能夠減少損耗和提高系統效率。驅動器做了兩件事:對器件電容迅速充放電,實現快速開關;確保連續提供基極電流,使晶體管在導通狀態中保持飽和狀態。

  為了支持動態操作,15V的驅動器電源電壓引起更快的瞬態變化,并提高性能。SiC BJT的閾值電壓約為3V。通常情況下無需使用負極驅動電壓或米勒鉗位來提高抗擾度。

  SiC BJT是一個“常關型”器件,并且僅在持續提供基極電流時激活。選擇靜態操作的基極電流值會涉及到傳導損耗和驅動損耗間的折衷平衡。盡管有較高的增益值(因此會形成較低的基極電流),驅動損耗對SiC BJT仍非常重要,由于SiC布局具有較寬能帶間隙,因此必須在基極和發射極間提供一個更高的正向電壓。將基極電流增加一倍,從0.5A增加到1A,僅降低正向等效電阻10%,因此需要降低傳導損耗,同時使飽和度轉變為較高水平。這是我們設計升壓轉換器的一個重要考慮因素,因為它會在更高的電流紋波下運行。1A的基極電流會使開關能力增加至40A。

  靜態驅動損耗是選定驅動電壓和輸入電壓的一個函數(間接表示占空比值)。實現高開關速度需要 15V的驅動電壓,產生約8W的損耗,主要集中在基極電阻上。為了彌補這方面的損耗,對于動態和靜態操作,我們通常使用兩個單獨的電源電壓。圖1提供了示意圖。高壓驅動器的控制信號會“中斷”,因此它僅在開關瞬態期間使能。靜態驅動階段使用較低電壓,從而可以降低靜態損耗,并在整個導通期間保持激活狀態。

  

  圖1:使用兩個電源電壓降低損耗

  減小濾波器的尺寸

  在更高的開關頻率下運行,可降低無源元件的成本。為了進一步提高功率密度,我們著眼于改善濾波器電感的方法。在評估了各種核心材料的能力后,我們選擇了一種使用Vitroperm 500 F(一種薄夾層式納米晶體材料)制成的新型磁芯材料。該材料產生的損耗低,且在高頻率下運轉良好。此外也可在高飽和磁通值下運行,這意味著該材料比類似的鐵氧體磁芯(圖2右側)要小得多。使用 Virtoperm磁芯構成的濾波電感器,約為參照系統的四分之一大小。

  

  圖2:用作頻率函數的不同芯材的電感器大小,以及與Vitroperm和鐵氧體磁芯的大小比

  圖2顯示了在最大電流紋波(40%)下對于不同材料將電感器尺寸作為開關頻率函數的因素。在此,我們假設電感量近似為電感值,而這又取決于峰值磁通密度和開關頻率。在達到指定的臨界點(在100mW/cm時定義的特定損耗)后,需要降低峰值磁通量以避免過熱,從而在該點之外運行將不會導致其大小顯著減小。頻率一定時,Vitroperm500F可在所有材料中實現最佳性能。

  

  圖3:48kHz時的效率和驅動損耗,以及原型圖

  圖3顯示了測得的效率級,包括采用兩階段解決方案的驅動損耗。根據計算得出的損耗分布如下圖曲線所示。該系統可以在沒有達到臨界溫度或飽和度的情況下達到高電流負載。該兩階段驅動解決方案會將驅動損耗降低至輸入功率的0.02%左右。整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小,且更高的開關頻率允許使用更小的過濾器元件。所有這些特性最終有助于降低系統成本。

  SIC BJT特性:

  SiC BJT的特性可歸結為以下三點:1)有史以來最高效的1200V功率轉換開關---最低的總損耗,包括開關、傳導及驅動器損耗。所有1200V器件中最低的開關損耗(任意RON條件下);2)簡單直接的驅動----常關功能降低了風險和復雜程度,并減少了限制性能的設計。穩定的基極輸入,對過壓/欠壓峰值不敏感;3)強健且可靠---額定工作溫度高:Tj=175°C。由于RON具有正溫度系數,增益具有負溫度系數,因此易于并聯。穩定持久的Vbe正向電壓和反向阻隔能力。

  

  圖4:SIC BJT特性

  SIC BJT與SI IGBT比較:

  與IGBT相比,飛兆半導體最近開發出的碳化硅(SiC) BJT功率器件可實現效率和功率密度的大幅提升,無論在元件還是系統級,這可幫助設計工程師在其設計中滿足成本的要求,以及改善功率密度、可靠性和效率。

  SiC BJT可提供更高的開關頻率和更低的損耗,從而可在相同系統尺寸下實現更高的輸出功率,并降低無源元件的成本,因為它允許使用更小的電感、電容和散熱器。

  SiC BJT可提供目前市場上最低的傳導損耗,因為它的導通電阻每平方厘米只有2.2毫歐姆,它的開關總損耗也是最低的,包括驅動器損耗。SiC BJT直流增益大于70。

  SiC BJT可提供更高的開關頻率,它開與關之間的轉換時間只有20ns,而且這一性能與工作溫度無關。更重要的一點是,SiC BJT開關轉換時沒有尾流。

  

  圖5:SIC BJT與SI IGBT比較

  SIC BJT應用領域

  今天的很多電子應用諸如可再生能源、工業控制系統和移動電源都要求高效率、小尺寸和重量輕。SiC BJT剛好可以滿足以上要求,與今天的任何其他晶體管(如MOSFET和IGBT)相比,它可提供業內最高的效率,同時它還消除了許多尺寸、重量、溫度和效率方面的折中考慮。

  在改善效率領域,SiC BJT針對的目標應用包括:太陽能逆變器、充電樁、移動電源、電機驅動、PFC輸入級、DC-AC轉換器、焊接系統和DC-DC轉換器。

  與此同時,SiC BJT的另一大獨特性能優勢是它可以在高溫下提供可靠的開關操作,這在油氣鉆探、能量收集、商業航空、特定的汽車和工業設計應用中是至關重要的。在高溫應用領域,SiC BJT針對的目標應用包括:馬達和渦輪控制、安全監控、高溫馬達驅動、高溫執行器控制和高溫DC轉換器。

  SIC BJT可實現低傳導損耗、高擊穿場強度,并且可在更廣泛的溫度范圍內穩定運行。在驅動器電路中使用兩個電源電壓,可降低驅動損耗,實現良好效率。更高的開關頻率允許使用更小的電感器,從而在系統級實現顯著的成本節約。高壓應用(如光伏逆變器)將受益于高功率密度、更低系統成本和簡易的設計。

 
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