傾佳電子技術(shù)報(bào)告:基本半導(dǎo)體34mm碳化硅(SiC)功率模塊產(chǎn)品線深度分析及在關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用中的技術(shù)潛力評(píng)估
傾佳電子(Changer Tech)是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車(chē)連接器的分銷(xiāo)商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向,并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車(chē)連接器。
傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊,助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)!
傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然,勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭:
傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)!
傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)!
傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)!
摘要
傾佳電子通過(guò)對(duì)基本半導(dǎo)體(BASiC)34mm SiC功率模塊產(chǎn)品線的全面分析,證實(shí)其在性能、效率和功率密度上相較于傳統(tǒng)IGBT模塊具備顯著優(yōu)勢(shì)。核心優(yōu)勢(shì)包括:極低開(kāi)關(guān)損耗、卓越的高溫性能以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)小型化的能力。通過(guò)詳實(shí)的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)參數(shù),量化了這些優(yōu)勢(shì)在逆變焊機(jī)、電鍍電源等高頻高能效應(yīng)用中的巨大潛力。同時(shí),傾佳電子也深入剖析了SiC技術(shù)在驅(qū)動(dòng)、并聯(lián)均流等方面面臨的挑戰(zhàn),并提供了基于米勒鉗位等功能的成熟解決方案,為SiC在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了清晰的技術(shù)路徑。
1. 引言
1.1 全球功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
在過(guò)去數(shù)十年里,功率半導(dǎo)體技術(shù)一直是電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)力。隨著全球?qū)δ茉葱?、系統(tǒng)小型化和性能提升的需求日益增長(zhǎng),傳統(tǒng)以硅(Si)為基礎(chǔ)的功率器件已逐漸接近其材料物理極限。為此,業(yè)界將目光轉(zhuǎn)向了寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體材料,如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。這些新材料的出現(xiàn),正在引發(fā)一場(chǎng)功率電子領(lǐng)域的深刻變革。
碳化硅作為一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體,在物理特性上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅材料。例如,其禁帶寬度是硅的三倍,臨界電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的十倍,熱導(dǎo)率是硅的三倍以上 1。這些優(yōu)越的物理特性直接轉(zhuǎn)化為SiC功率器件的卓越性能,使其能夠支持更小、更輕的功率設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)更高的功率密度 。此外,基于SiC的功率器件能夠在高達(dá)
200°C的結(jié)溫下穩(wěn)定工作(僅受限于封裝),大大降低了對(duì)散熱系統(tǒng)的依賴,從而支持設(shè)計(jì)出更緊湊、更可靠、更堅(jiān)固的解決方案 。SiC技術(shù)的進(jìn)步,使得現(xiàn)有電源設(shè)計(jì)可以在不進(jìn)行重大架構(gòu)變更的情況下,快速集成其性能和效率優(yōu)勢(shì),同時(shí)將物料清單(BOM)成本維持在可控范圍內(nèi) 。
1.2 傾佳電子全力推動(dòng)基本半導(dǎo)體SiC模塊在中國(guó)電力電子市場(chǎng)的應(yīng)用
傾佳電子旨在對(duì)基本半導(dǎo)體(BASiC)的34mm SiC MOSFET模塊產(chǎn)品線進(jìn)行一次全面、深入的技術(shù)分析。傾佳電子將從以下幾個(gè)關(guān)鍵維度展開(kāi):首先,綜述該產(chǎn)品線的核心特性和關(guān)鍵型號(hào)參數(shù);其次,通過(guò)詳實(shí)的數(shù)據(jù),深入對(duì)比SiC MOSFET與傳統(tǒng)IGBT模塊在技術(shù)性能上的差異,并評(píng)估其在特定應(yīng)用中全面替代IGBT的潛力;最后,詳細(xì)分析這些模塊在電鍍電源、電解電源、逆變焊機(jī)、商用電磁爐、工業(yè)感應(yīng)加熱及高頻直流電源等核心工業(yè)應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與廣闊前景。傾佳電子旨在為功率電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師、系統(tǒng)架構(gòu)師及技術(shù)決策者提供權(quán)威且具實(shí)踐指導(dǎo)意義的參考依據(jù)。
2. 基本半導(dǎo)體34mm SiC MOSFET模塊產(chǎn)品線綜述
2.1 產(chǎn)品線核心特性與設(shè)計(jì)亮點(diǎn)
基本半導(dǎo)體推出的34mm SiC MOSFET模塊系列,作為其核心工業(yè)模塊產(chǎn)品線,以其獨(dú)特的封裝和卓越的性能脫穎而出 。該系列均采用標(biāo)準(zhǔn)34mm半橋拓?fù)浞庋b,提供了覆蓋60A至160A連續(xù)電流等級(jí)的豐富型號(hào),包括BMF60R12RB3、BMF80R12RA3、BMF120R12RB3和BMF160R12RA3 。
該產(chǎn)品線的設(shè)計(jì)理念秉持“車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)”,以確保高可靠性和在嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 。其關(guān)鍵技術(shù)亮點(diǎn)包括:
低導(dǎo)通損耗與優(yōu)異的高溫性能:采用公司第三代芯片技術(shù),實(shí)現(xiàn)了極低的導(dǎo)通電阻,并在高溫下保持了出色的R_{DS(on)}性能 。
低開(kāi)關(guān)損耗與高開(kāi)關(guān)頻率:模塊的低電感設(shè)計(jì)和SiC芯片本身的特性,使其開(kāi)關(guān)損耗極低,非常適合用于高開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用,進(jìn)而有助于減小設(shè)備體積和提高功率密度 。
高可靠性封裝:模塊內(nèi)部采用了高性能的text{Al}{2}text{O}{3}$直接覆銅陶瓷基板(DCB)和高溫焊料,顯著提升了產(chǎn)品的熱循環(huán)可靠性 。
集成NTC溫度傳感器:多數(shù)模塊集成了負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻,便于實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片溫度,實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的熱管理和系統(tǒng)保護(hù) 。
2.2 主要型號(hào)參數(shù)概覽與對(duì)比
下表1匯總了基本半導(dǎo)體34mm SiC MOSFET模塊產(chǎn)品線中各主要型號(hào)的核心技術(shù)參數(shù)。
Table 1: 基本半導(dǎo)體34mm SiC MOSFET模塊產(chǎn)品線核心參數(shù)對(duì)比
封裝 | Pcore?2 34mm | Pcore?2 34mm | Pcore?2 34mm | Pcore?2 34mm | - | |
拓?fù)?/td> | 半橋 | 半橋 | 半橋 | 半橋 | - | |
VDSS | 1200 | 1200 | 1200 | 1200 | V | |
ID(TC=80°C) | 60 | 80 | - | - | A | |
ID(TC=75°C) | - | - | 120 | 160 | A | |
RDS(on)@25°C | 21.2 | 15 | 10.6 | 7.5 | mΩ | |
RDS(on)@175°C | 37.3 | 26.7 | 18.6 | 13.3 | mΩ | |
QG | 168 | 220 | 336 | 440 | nC | |
Eon@175°C | 2.0 | 2.7 | 6.9 | 9.2 | mJ | |
Eoff@175°C | 1.0 | 1.3 | 3.5 | 4.5 | mJ | |
Rth(j?c) | 0.70 | 0.54 | 0.37 | 0.29 | K/W | |
數(shù)據(jù)來(lái)源: | ||||||
參數(shù) | BMF60R12RB3 | BMF80R12RA3 | BMF120R12RB3 | BMF160R12RA3 | 單位 |
---|
從上表可以觀察到,隨著模塊額定電流等級(jí)(IDnom)從60A提升至160A,其導(dǎo)通電阻(RDS(on))和熱阻(Rth(j?c))呈現(xiàn)規(guī)律性的下降趨勢(shì),而總柵極電荷(QG)和開(kāi)關(guān)能量(Eon、Eoff)則隨之上升。這種現(xiàn)象是功率模塊設(shè)計(jì)中固有的物理權(quán)衡。額定電流的提高通常是通過(guò)在模塊內(nèi)并聯(lián)更多數(shù)量的SiC芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。從電學(xué)原理來(lái)看,電阻和熱阻是并聯(lián)關(guān)系(1/Rtotal=∑1/Ri),因此,并聯(lián)芯片的數(shù)量越多,總導(dǎo)通電阻和總熱阻就越低,從而降低了傳導(dǎo)損耗和改善了散熱性能。
然而,芯片的并聯(lián)同樣會(huì)導(dǎo)致總柵極電荷(QG)和總輸入電容(Ciss)的增加,因?yàn)殡娙菀沧裱⒙?lián)關(guān)系(Ctotal=∑Ci)。更高的總柵極電荷意味著需要更大的驅(qū)動(dòng)電流和更長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)間來(lái)完成器件的開(kāi)通和關(guān)斷,這直接導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)損耗(Eon、Eoff)的增加。因此,在選擇模塊時(shí),工程師需要在低傳導(dǎo)損耗和低開(kāi)關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于以傳導(dǎo)損耗為主的低頻應(yīng)用,選擇高電流等級(jí)模塊(如BMF160R12RA3)可以獲得更優(yōu)的性能;而對(duì)于以開(kāi)關(guān)損耗為主的高頻應(yīng)用,可能需要考慮使用較低電流等級(jí)的模塊,或通過(guò)多模塊并聯(lián)的方式,在滿足電流需求的同時(shí)降低單個(gè)模塊的總QG,以減少總開(kāi)關(guān)損耗。
2.3 BMF80R12RA3典型模塊詳細(xì)性能分析
作為產(chǎn)品線的核心代表,BMF80R12RA3模塊(1200V, 80A)的性能表現(xiàn)尤為突出 。其典型導(dǎo)通電阻在25°C時(shí)為15.6mΩ,在175°C高溫下僅為27.8mΩ,這表明其高溫導(dǎo)通性能優(yōu)異 。模塊在
Tvj=25°C時(shí)的總柵極電荷Q_{G}典型值為220nC,開(kāi)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)能量分別僅為2.4mJ和1.0mJ 。
該模塊的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)亮點(diǎn)是其體二極管(Body Diode)的卓越反向恢復(fù)性能 。在Tvj=25°C時(shí),其反向恢復(fù)時(shí)間(trr)僅為20.2ns,反向恢復(fù)電荷(Qrr)為0.3μC,反向恢復(fù)能量(Err)僅為67.3μJ 。在高溫Tvj=175°C下,雖然這些參數(shù)有所增加,但其絕對(duì)值依然遠(yuǎn)低于同等規(guī)格的IGBT模塊 。
體二極管反向恢復(fù)性能是SiC MOSFET相對(duì)于IGBT的一個(gè)根本性技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這種差異源于兩類器件的基本物理工作原理。SiC MOSFET是單極型器件,其導(dǎo)通和關(guān)斷僅依賴于多數(shù)載流子(電子)的流動(dòng)。當(dāng)其體二極管導(dǎo)通后,反向恢復(fù)過(guò)程主要由寄生電容決定,不會(huì)產(chǎn)生IGBT中因少數(shù)載流子(空穴)復(fù)合而導(dǎo)致的“拖尾電流”(Current Tail)現(xiàn)象 。拖尾電流是IGBT在高頻關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的主要損耗源之一。由于SiC器件不存在這種效應(yīng),其反向恢復(fù)時(shí)間極短,能量損耗微乎其微。這一特性使得SiC模塊在硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲心芤赃h(yuǎn)高于IGBT的頻率工作,同時(shí)保持極高的能效,這對(duì)于逆變焊機(jī)、高頻直流電源等應(yīng)用至關(guān)重要。
3. SiC MOSFET與傳統(tǒng)IGBT模塊技術(shù)潛力深度對(duì)比
3.1 核心技術(shù)優(yōu)勢(shì):材料特性與器件性能
SiC MOSFET相對(duì)于傳統(tǒng)硅基IGBT的優(yōu)越性源于材料物理特性的根本性差異 。SiC的寬禁帶(3.26eV)使其能夠承受更高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度,從而允許設(shè)計(jì)更薄的漂移層,這直接導(dǎo)致了通態(tài)電阻(RDS(on))的大幅下降。此外,SiC的高熱導(dǎo)率使其能更有效地將熱量從芯片傳導(dǎo)至散熱器,極大地降低了結(jié)-殼熱阻,提升了散熱能力。同時(shí),寬禁帶的特性也使得SiC器件能夠承受更高的工作結(jié)溫(可達(dá)175°C),降低了對(duì)復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的要求 。
這些材料優(yōu)勢(shì)共同轉(zhuǎn)化為器件性能的飛躍。下表2對(duì)比了SiC MOSFET與IGBT模塊在多個(gè)核心參數(shù)上的顯著差異。
Table 2: SiC MOSFET與傳統(tǒng)IGBT模塊核心性能參數(shù)對(duì)比
導(dǎo)通損耗 | 極低 | 較低 | SiC的低$R_{DS(on)}$在低電流、大占空比下?lián)p耗更低 | |
開(kāi)關(guān)損耗 | 極低 | 較高 | SiC無(wú)電流拖尾,適用于高頻硬開(kāi)關(guān) | |
工作頻率 | 50-100kHz及更高 | <20kHz | SiC可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化、高功率密度 | |
最高結(jié)溫 | 175°C(模塊) | 125°C(模塊) | 降低散熱要求,提升系統(tǒng)可靠性 | |
功率密度 | 極高 | 較低 | SiC可實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出與更小的體積 | |
短路耐受時(shí)間 | <5μs | >10μs | SiC要求更快的保護(hù)電路 | |
驅(qū)動(dòng)電壓 | +18V/-4V | +15V/-8V | SiC對(duì)驅(qū)動(dòng)器提出了更高的要求 | |
數(shù)據(jù)來(lái)源: | ||||
參數(shù) | SiC MOSFET模塊 | 傳統(tǒng)IGBT模塊 | 解釋與影響 |
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3.2 損耗與效率對(duì)比:仿真數(shù)據(jù)分析
基本半導(dǎo)體通過(guò)電力電子仿真,模擬了BMF80R12RA3模塊在實(shí)際工況中的性能表現(xiàn),并與傳統(tǒng)IGBT模塊進(jìn)行了對(duì)比 。仿真條件設(shè)定為:全橋拓?fù)洹㈦姾笝C(jī)功率20kW、散熱器溫度
80°C、直流母線電壓540V,并對(duì)比了在不同開(kāi)關(guān)頻率下的損耗與效率。
Table 3: BMF80R12RA3與傳統(tǒng)IGBT模塊在20kW焊機(jī)應(yīng)用中的損耗與效率仿真數(shù)據(jù)對(duì)比
仿真數(shù)據(jù)顯示,盡管BMF80R12RA3模塊的工作頻率從IGBT時(shí)代的20kHz大幅提升至80kHz,其總損耗僅為1200V 100A IGBT模塊的一半左右,整機(jī)效率提高了近1.58個(gè)百分點(diǎn) 。損耗的顯著降低直接帶來(lái)了系統(tǒng)級(jí)能效的飛躍。損耗的減少意味著功率器件產(chǎn)生的熱量大大降低,從而對(duì)散熱系統(tǒng)的要求也隨之減小,可采用更小、更輕的散熱器。同時(shí),開(kāi)關(guān)頻率的提升能夠使電源系統(tǒng)中的無(wú)源元件,如變壓器、電感和電容,實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的小型化和輕量化,因?yàn)檫@些元件的尺寸與工作頻率成反比。這兩方面效應(yīng)的疊加,使得整個(gè)電源系統(tǒng)的功率密度實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
3.3 SiC全面取代IGBT的潛力與挑戰(zhàn)
在特定應(yīng)用中,SiC技術(shù)展現(xiàn)出全面取代IGBT的巨大潛力。例如,有觀點(diǎn)指出,一個(gè)50A的碳化硅模塊可以替代一個(gè)150A的硅模塊 ,這從性能上充分證明了SiC的優(yōu)越性。在對(duì)能效、體積和重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用領(lǐng)域,如新能源汽車(chē)、高頻工業(yè)電源、光伏逆變器等,SiC正在加速取代傳統(tǒng)硅器件,成為必然趨勢(shì)。
然而,SiC在廣泛應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。首先是成本問(wèn)題。盡管SiC襯底和代工成本正逐年下降,但目前SiC MOSFET的系統(tǒng)成本仍然比同等性能的IGBT系統(tǒng)高出約10% 。其次是短路耐受能力。SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間通常小于5μs,遠(yuǎn)低于IGBT的10μs以上 。這要求配套的短路保護(hù)電路必須在極短的時(shí)間內(nèi)(通常在3μs內(nèi))快速響應(yīng),以防止器件損壞 。最后,SiC的高開(kāi)關(guān)速度(高dv/dt)也對(duì)驅(qū)動(dòng)器提出了更高的要求,需要專門(mén)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)應(yīng)對(duì)米勒效應(yīng)等挑戰(zhàn)。
4. 關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與潛力分析
4.1 逆變焊機(jī)與工業(yè)感應(yīng)加熱
逆變焊機(jī)和工業(yè)感應(yīng)加熱設(shè)備的核心需求是高頻、高效率和高功率密度。這些應(yīng)用需要快速、精準(zhǔn)地控制大電流,以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接或加熱工藝。SiC MOSFET模塊在這些應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與該需求高度匹配。如第3.2節(jié)的仿真數(shù)據(jù)所示,即使在80kHz的高頻率下,BMF80R12RA3模塊的總損耗仍遠(yuǎn)低于IGBT,這使得整機(jī)效率更高,散熱需求更低。高開(kāi)關(guān)頻率不僅能縮小變壓器和電感等磁性元件的體積,使焊機(jī)或加熱設(shè)備更加輕便,還能加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,使輸出電流和功率的控制更加精準(zhǔn),從而易于實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的工藝控制 。
4.2 電鍍電源與電解電源
電鍍與電解電源對(duì)能效和電流控制精度要求極高。在這些大功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用中,即使是微小的效率提升,也能帶來(lái)巨大的節(jié)能收益。SiC模塊的低導(dǎo)通和低開(kāi)關(guān)損耗特性,能夠最大限度地減少能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱損失 。同時(shí),SiC器件能夠承受更高的工作結(jié)溫,這使得在高溫環(huán)境下,電源仍能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,并減少對(duì)昂貴的冷卻系統(tǒng)的依賴,從而降低了系統(tǒng)成本和體積 。此外,SiC的高頻開(kāi)關(guān)能力使得電源可以提供更平滑、更穩(wěn)定的直流輸出,對(duì)于確保電鍍和電解工藝的均勻性和一致性至關(guān)重要。
4.3 高頻直流電源與商用電磁爐
高頻直流電源和商用電磁爐等應(yīng)用對(duì)功率密度和能效要求嚴(yán)苛。這些應(yīng)用中,高頻開(kāi)關(guān)是實(shí)現(xiàn)小型化的關(guān)鍵。SiC MOSFET的低開(kāi)關(guān)損耗和無(wú)反向恢復(fù)特性,使其成為L(zhǎng)LC諧振變換器、全橋移相等高頻硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞睦硐脒x擇 。通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率從IGBT的20kHz提升至100kHz甚至更高,可以顯著減小變壓器、電容和電感等無(wú)源元件的尺寸和重量 。最終,這使得高頻直流電源和商用電磁爐能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率輸出,同時(shí)將體積和重量壓縮至傳統(tǒng)硅方案無(wú)法企及的水平。
5. 驅(qū)動(dòng)與并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)解析
5.1 SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)的特殊要求與挑戰(zhàn)
盡管SiC MOSFET性能優(yōu)越,但其高開(kāi)關(guān)速度也帶來(lái)了驅(qū)動(dòng)上的特殊挑戰(zhàn),其中最突出的問(wèn)題是米勒效應(yīng)(Miller Effect)導(dǎo)致的誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。在半橋或全橋電路中,當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)管(如上管)開(kāi)通時(shí),橋臂中點(diǎn)的電壓會(huì)迅速上升。這種高dv/dt會(huì)通過(guò)關(guān)斷管(如下管)的柵極-漏極寄生電容(Cgd)產(chǎn)生一個(gè)米勒電流(Igd=Cgd×dv/dt) 。這個(gè)米勒電流流經(jīng)門(mén)極關(guān)斷電阻(RGoff),會(huì)在下管的柵極-源極之間產(chǎn)生一個(gè)正向電壓(Vgs=Igd×RGoff)。如果這個(gè)電壓超過(guò)了SiC MOSFET較低的閾值電壓(Vgsth),就會(huì)導(dǎo)致本應(yīng)保持關(guān)斷的下管意外導(dǎo)通,造成橋臂短路(也稱為“直通”),進(jìn)而損壞器件 。
為了解決這一問(wèn)題,基本半導(dǎo)體在其驅(qū)動(dòng)方案中集成了米勒鉗位(Miller Clamp)功能。基本半導(dǎo)體的產(chǎn)品手冊(cè)詳細(xì)展示了米勒鉗位功能的工作原理和實(shí)測(cè)效果 。通過(guò)雙脈沖測(cè)試,實(shí)測(cè)波形對(duì)比顯示,在沒(méi)有米勒鉗位功能的情況下,下管的門(mén)極電壓被高dv/dt抬高至7.3V,遠(yuǎn)超其2.7V的閾值電壓,存在嚴(yán)重的誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn) 。而當(dāng)啟用米勒鉗位功能后,該電壓被有效鉗制在2V以下,成功抑制了誤導(dǎo)通現(xiàn)象 。
米勒鉗位的工作原理是在SiC MOSFET關(guān)斷期間,當(dāng)其門(mén)極電壓降至特定閾值(例如BTD5452R芯片的1.8V)時(shí),驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的鉗位開(kāi)關(guān)會(huì)被激活 。這個(gè)開(kāi)關(guān)會(huì)在門(mén)極和負(fù)電源軌之間形成一個(gè)極低阻抗的通路,迅速泄放米勒電流,有效防止門(mén)極電壓被抬高,從而確保器件可靠關(guān)斷。這表明,米勒鉗位是驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET在高頻、硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中不可或缺的保護(hù)機(jī)制。
Table 4: 米勒鉗位功能在SiC模塊中的應(yīng)用效果
5.2 多管并聯(lián)均流技術(shù)與實(shí)踐建議
在大功率應(yīng)用中,通過(guò)將多個(gè)SiC MOSFET并聯(lián)來(lái)提高電流容量是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法 。然而,由于芯片參數(shù)(如閾值電壓V_{th}和導(dǎo)通電阻R_{ds(on)})的離散性、模塊內(nèi)部芯片布局的不對(duì)稱性以及寄生電感(Lσ)的不匹配,多管并聯(lián)容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)電流不平衡現(xiàn)象,導(dǎo)致某些器件承受過(guò)高的應(yīng)力 。
為了實(shí)現(xiàn)可靠的并聯(lián)均流,需要綜合考慮設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐建議包括:
優(yōu)化PCB布局:盡可能減小驅(qū)動(dòng)回路和功率回路的寄生電感,尤其是源極寄生電感,并確保每個(gè)并聯(lián)通道的電感對(duì)稱性 。
獨(dú)立柵極電阻:對(duì)于并聯(lián)的SiC MOSFET,建議為每個(gè)柵極配置獨(dú)立的柵極電阻,這有助于減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中的振鈴,并避免器件因振蕩而超出其最大額定電壓 。
米勒鉗位功能的應(yīng)用:當(dāng)并聯(lián)模塊需要使用米勒鉗位功能時(shí),為了不破壞驅(qū)動(dòng)回路的一致性,推薦在驅(qū)動(dòng)芯片的米勒鉗位腳(Clamp)與每個(gè)SiC MOSFET的門(mén)極之間分別串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管 。這些二極管應(yīng)選擇低壓降型號(hào),以確保米勒鉗位通路的一致性,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流。
深圳市傾佳電子有限公司(簡(jiǎn)稱“傾佳電子”)是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者:
傾佳電子成立于2018年,總部位于深圳福田區(qū),定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車(chē)連接器的專業(yè)分銷(xiāo)商,業(yè)務(wù)聚焦三大方向:
新能源:覆蓋光伏、儲(chǔ)能、充電基礎(chǔ)設(shè)施;
交通電動(dòng)化:服務(wù)新能源汽車(chē)三電系統(tǒng)(電控、電池、電機(jī))及高壓平臺(tái)升級(jí);
數(shù)字化轉(zhuǎn)型:支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命,響應(yīng)國(guó)家“雙碳”政策(碳達(dá)峰、碳中和),致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
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6. 結(jié)論與未來(lái)展望
6.1 核心結(jié)論回顧
傾佳電子的分析結(jié)果表明,基本半導(dǎo)體34mm SiC MOSFET模塊產(chǎn)品線在性能、效率和功率密度方面均展現(xiàn)出顯著的卓越性。通過(guò)對(duì)BMF系列模塊參數(shù)的橫向?qū)Ρ?,證實(shí)了其在低導(dǎo)通損耗、低開(kāi)關(guān)損耗和優(yōu)異高溫性能上的優(yōu)勢(shì)。特別是BMF80R12RA3模塊的仿真數(shù)據(jù),有力證明了SiC技術(shù)能夠在大幅提升開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí),將系統(tǒng)總損耗降低一半,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的小型化和輕量化。這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其在電鍍電源、電解電源、逆變焊機(jī)、工業(yè)感應(yīng)加熱、高頻直流電源和商用電磁爐等應(yīng)用中具有巨大的技術(shù)潛力。盡管SiC面臨成本和驅(qū)動(dòng)等挑戰(zhàn),但通過(guò)采用米勒鉗位等先進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù),這些挑戰(zhàn)已能被有效解決。
6.2 SiC技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的未來(lái)展望
隨著全球?qū)δ茉葱屎吞贾泻湍繕?biāo)的日益重視,SiC技術(shù)在工業(yè)功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用前景將愈加廣闊。隨著SiC襯底制造技術(shù)和批量生產(chǎn)工藝的持續(xù)進(jìn)步,其成本將繼續(xù)下降,從而加速其在更多領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。未來(lái)的趨勢(shì)將是SiC在充電樁、數(shù)據(jù)中心電源、光伏逆變器等對(duì)能效和功率密度有核心需求的領(lǐng)域加速取代傳統(tǒng)硅器件,并最終成為高功率工業(yè)應(yīng)用的主流技術(shù)?;景雽?dǎo)體以其34mm SiC模塊產(chǎn)品線,正處于這場(chǎng)技術(shù)變革的前沿,為工業(yè)界的能效革命提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。
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