? ?碳化硅為寬禁帶材料，具有高導熱系數(shù)、高擊穿場強、高電子飽和漂移速率等優(yōu)異的材料特性，因此適合作為高耐壓、高溫、高頻及抗輻射等操作的功率半導體器件設(shè)計的材料基礎(chǔ)。
?? ?寬禁帶半導體器件創(chuàng)新及革命性的技術(shù)為各種應(yīng)用帶來顯著的功率效率。第三代半導體主要是以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的先進電子器件，其器件與模塊應(yīng)用范圍，涵蓋開關(guān)電源充電器和適配器、伺服電源、太陽光伏逆變器、軌道交通、新能源汽車驅(qū)動、充電樁等高效率、高密度需求的電力電子應(yīng)用。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高轉(zhuǎn)換效率、節(jié)省空間并減輕重量、減少零件數(shù)量，從而降低整體系統(tǒng)成本，進一步促進系統(tǒng)的可靠度及低耗能發(fā)展。


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??? 作為系列文章的最后一篇，本文將就富昌電子系統(tǒng)設(shè)計中心（SDC）逆變器SiC方案做一些介紹和設(shè)計要點分享。

1. 富昌系統(tǒng)設(shè)計中心逆變器SiC方案

1.1方案概述

??? 為了推廣SiC的應(yīng)用，富昌電子從2019年開始推出基于SiC的逆變器方案。該方案基于NXP Power架構(gòu)主控MCU平臺，融合了ON隔離預(yù)驅(qū)芯片及碳化硅功率器件，以及NXP電源管理芯片，可實現(xiàn)汽車功能安全標準ISO26262的ASIC C/D級別功能安全要求。該控制器可對碳化硅的錯誤狀態(tài)進行檢測（過流與過溫），同時通過增減碳化硅功率器件的并聯(lián)數(shù)量，可滿足不同工況的使用要求，從而實現(xiàn)對電機項目的快速開發(fā)。符合功能安全的電源管理芯片可監(jiān)測主控芯片的運行，進一步確保了整個系統(tǒng)運行的可靠性。

1.2設(shè)計規(guī)格

??? ???系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)格如表1。由于采用平臺化的設(shè)計，通過改變主要元器件的型號規(guī)格及散熱器結(jié)構(gòu)，該方案的可輸出不同的額定功率，以滿足不同客戶的需求。

1.3方案原理框圖

?? 系統(tǒng) 方案原理框圖如圖1。

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圖1 SiC逆變器方案原理框圖

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1.4 主要功能特點

可實現(xiàn)汽車功能安全標準ISO26262 ASIC C/D級別功能安全要求。

3路雙通道大電流隔離預(yù)驅(qū)。

基于變壓器絕緣技術(shù)，優(yōu)秀的絕緣性能。

主控MCU與電源管理芯片均可使碳化硅功率器件進入失效安全模式。

每路碳化硅功率器件可并聯(lián)3 ~ 6個。

DESAT保護與軟關(guān)斷功能。

短路、過流、過溫、過壓、欠壓保護。

米勒鉗位功能（AMC）。

采用車規(guī)級元器件，核心器件通過AEC-Q100認證。

1.5 SiC逆變器測試結(jié)果

SiC逆變器電流測試波形

圖2 SiC逆變器UVW三相電流波形

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熱成像儀下測得的逆變器溫度

??? 測試條件如下：

散熱器材質(zhì)：高導系數(shù)的氮化鋁

冷卻模式：水冷

水冷流速：8L/Min

直流母線電壓：380VDC

負載: 電抗器（相電流峰值338A）

??? 工作10分鐘后，熱成像儀記錄的最高溫度為54.1度，如圖3所示。

圖3 338A峰值相電流下SiC功率器件熱成像儀圖像

從熱成像儀記錄的溫度可看出，與IGBT功率器件相比，SiC的開關(guān)損耗是很低的，在同樣的輸出功率情況下，SiC可以有更高的開關(guān)頻率（FOC矢量控制載波頻率），更低的開關(guān)損耗，功率器件的發(fā)熱量更小。一般對于大功率的應(yīng)用場合，例如180kW以上的高壓應(yīng)用，推薦采用SiC功率器件。

SiC逆變器設(shè)計中有很多需要注意的事項，例如開關(guān)損耗，功率器件的保護，并聯(lián)設(shè)計等等，在后面的章節(jié)具體來講。
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2. 如何減少SiC MOSFET開關(guān)損耗

? ??SiC MOSFET 專門用于驅(qū)動控制，能夠在比IGBT高出五倍的開關(guān)頻率下工作。碳化硅MOS管不產(chǎn)生拖尾電流（如圖4所示），可有效改善開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)的效率，使設(shè)計更緊湊，更可靠和更高效。主要應(yīng)用于高效節(jié)能的場合，如太陽能逆變器，高壓電源和高效率驅(qū)動器。

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?圖4

??? 影響開關(guān)性能的主要因素有：

關(guān)斷能量(Eoff)取決于Rg和Vgs-OFF (負偏置柵極電壓)

開啟能量(Eon)取決于Rg

米勒效應(yīng)影響Eon和Err (反向恢復(fù)損耗)

柵極驅(qū)動電流的要求

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3.? SiC MOSFET柵極驅(qū)動推薦工作區(qū)

??? 推薦工作區(qū)的最低關(guān)斷電壓，是以確保整個產(chǎn)品壽命周期內(nèi),在Inom和Tj = 125°C時RDS(on)的增加不會超過初始值的15%為標準。RDS?(on)的增量取決于工作電流Id 和結(jié)溫Tj，如圖5所示。

圖5

最后要注意的是，最低峰值門極電壓絕不能超過數(shù)據(jù)表中的最大額定值。

4.? SiC MOSFET驅(qū)動保護功能

4.1 退飽和保護功能（DESAT）

? ??碳化硅（SiC）MOSFET已成為太陽能逆變器、車載和非車載電池充電器、牽引逆變器等各種應(yīng)用領(lǐng)域中硅（Si）IGBT的潛在替代品。與（Si）IGBT相比，SiC MOSFET對短路保護要求更為嚴格。為了充分利用SiC MOSFET，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要一種快速可靠的短路保護電路。英飛凌、ON和ST等都具有先進保護功能的IGBT和SiC隔離門驅(qū)動器，可用于各種系統(tǒng)設(shè)計，以保護開關(guān)器件免受各種過流和短路故障的影響。采用快速保護功能，提高了系統(tǒng)設(shè)計的通用性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而避免功率器件在短路工況下被擊穿損壞的風險。如圖6所示：

圖6

4.2 寄生電容與米勒效應(yīng)

??? 寄生導通效應(yīng)對柵極的電感反饋和電容反饋可能導致半導體開關(guān)產(chǎn)生不必要的導通。如果使用了碳化硅 MOSFET，則通常需要考慮米勒電容產(chǎn)生的電容反饋，圖7解釋了這種效應(yīng)。低邊開關(guān)S2的體二極管導通負載電流IL?，直至高邊開關(guān)S1導通。在負載電流換向到S1之后，S2的漏源電壓開始上升。在這個階段，不斷上升的漏極電位通過米勒電容CGD?上拉S2的柵極電壓。然后，柵極關(guān)斷電阻試圖抵消并拉低電壓。但如果電阻值不足以降低電壓，則電壓可能超過閾值水平，從而導致?lián)舸?、增加開關(guān)損耗。擊穿事件的風險和嚴重程度取決于特定的操作條件和測量硬件。高母線電壓、電壓陡峭上升和高結(jié)溫是最關(guān)鍵的工作點。這些條件不僅會嚴重地上拉柵極電壓，還會降低閾值。 硬件方面的主要影響因素有：不必要的且與CGD并聯(lián)的寄生電路板電容，與CGS并聯(lián)的外部電容，柵極關(guān)斷電壓以及柵極關(guān)斷電阻。

圖7：體二極管關(guān)斷期間米勒電容CGD的影響

? ????英飛凌和ON，ST等具有鉗位保護的應(yīng)用，如下圖8
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圖8：米勒鉗位保護的例子

??? 在半橋結(jié)構(gòu)中，當設(shè)備關(guān)閉時，由于米勒效應(yīng)電源模塊柵極處存在不必要電荷，從而影響工作穩(wěn)定性。兩個參數(shù)放大了米勒效應(yīng)的嚴重性：

功率模塊上的dV/dt越高，米勒電壓越高，因此錯誤接通的可能性越大

CRSS/CISS比，與米勒電壓直接相關(guān)

??? 提示：SiC MOSFET通常用于總線電壓較高（通常 > 800V）的系統(tǒng)中，因為米勒效應(yīng)的存在，誤導通的可能性更大.
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5. SiC MOSFET并聯(lián)設(shè)計

? ???通過使用并聯(lián)連接多個單獨的MOSFET來提高功率開關(guān)的性能是SiC功率器件的常見做法。本節(jié)討論了并聯(lián)碳化硅（SiC）MOSFET有關(guān)的問題。
??? 碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）材料具有優(yōu)異的電學和熱學性能。對于相同的額定電壓和額定電流值，與硅功率器件相比，SiC功率半導體器件具有更小的管芯面積、更高的工作溫度、更高的工作頻率和更低的開關(guān)損耗。為了獲得更高的電流額定值，在實際應(yīng)用中大量采用SiC并聯(lián)的方式，即使開關(guān)頻率可能因此會受到一定的限制。SiC MOSFET是第一個在超高壓、超高頻和大功率應(yīng)用中面臨并聯(lián)多個晶體管挑戰(zhàn)的器件。在超過200 kHz的頻率范圍內(nèi)，母線電壓水平高達950V，這使得關(guān)鍵的MOSFET并聯(lián)，需要特別注意，以盡可能降低開關(guān)損耗。對于功率半導體器件的并聯(lián)運行，電流不平衡是主要問題，因為它可能會導致不均勻的傳導損耗和開關(guān)損耗。穩(wěn)態(tài)電流不平衡會導致不均勻的瞬態(tài)電流分布，并會進一步導致設(shè)備中更高的損耗不平衡和電流失調(diào)。并聯(lián)功率半導體器件中的電流不平衡主要來自兩個不同的方面：

第一個方面與器件自身差異有關(guān)。

第二個方面與不對稱電路布局有關(guān)。在MOSFET的器件參數(shù)中，當SiC MOSFET并聯(lián)時，導通電阻（Rds(on)）和柵極閾值電壓（Vgs(th)）對均流性能都有顯著影響。因此，需要確定并聯(lián)良好性的關(guān)鍵參數(shù)，并確保并聯(lián)SiC MOSFET的器件和電路相匹配。

5.1 不平衡并聯(lián)應(yīng)用后果

?? ?電流不平衡的原因有多種，不平衡可能由設(shè)備參數(shù)不匹配、門驅(qū)動器不匹配、電源電路不匹配或者更接近現(xiàn)實的是，這些可變因素的混合產(chǎn)生，不平穩(wěn)的結(jié)果可能會導致特定設(shè)備超過其峰值電流或連續(xù)熱額定值，并最終導致功能器件的損壞。

5.2 設(shè)備參數(shù)不匹配

? ??由于制造業(yè)固有的公差，當并聯(lián)兩個或多個SiC MOSFET時，總電流在器件之間通常不均衡。在以下情況下，需要考慮不平衡的主要來源：導通電阻（Rds(on)）和柵極閾值電壓（Vgs(th)）。

? 5.3 Rds（on）不匹配

? ??從簡單的并行電阻計算考慮，如果我們考慮一對具有20% Rds(on)方差的裝置，相對于典型的數(shù)據(jù)表值，具有較低的Rds(on)的器件在傳導狀態(tài)下應(yīng)該攜帶比具有更高的Rds(ON)的電流大1.5倍的電流。因此，這兩個設(shè)備切換不同的電流水平，導致不同的損耗。
??? 作為這一點的衡量標準，圖9的例子說明了兩個1200V 50A并聯(lián)設(shè)備之間的關(guān)斷損耗是如何不平均分攤的，這些設(shè)備的電氣特性非常相似（V(BR)DSS，?VGS(th)…），但其Rds(on)與典型值相差±20%。

圖9

??? 這種效應(yīng)部分由SiC MOSFET溫度特性補償。對于常見應(yīng)用的溫度范圍，SiC MOSFET器件具有正溫度系數(shù)（PTC）特性。與硅MOSFET類似，結(jié)溫越高，并聯(lián)部件的共享電流越小，最終達到熱平衡。圖10顯示了STMicroelectronics高壓SiC MOSFET的電流產(chǎn)生的RDS(on)與溫度的關(guān)系。

圖10

5.4 VGS（th）漂移現(xiàn)象

? ??除了傳導損耗（其不平衡可以通過RDS(on) PTC特性來緩解）外，還必須考慮開關(guān)損耗不平衡。Vgs(th)差異導致電壓較低的設(shè)備比電壓較高的設(shè)備更早開啟，更晚關(guān)閉。即使采取了一些預(yù)防措施，例如使用具有相同RDS(on)的設(shè)備和用于溫度負反饋的公共散熱器，總能量也不能在并聯(lián)設(shè)備之間平均分配。

圖11

由于Vgs(th)（圖11）的負溫度系數(shù)（NTC）特性，初始閾值差會增加，從而增大開關(guān)損耗，因此熱失控的風險不可忽略，尤其是當開關(guān)損耗大于傳導損耗時。

5.5 門驅(qū)動器匹配差異

? ??門電路的尺寸是在快速切換以最小化功率損耗的必要性和避免可能振蕩的必要性之間進行平衡的結(jié)果。一旦固定了電壓擺幅、所需RDS（on）的正值和抗噪性的負值，則必須以適當?shù)姆绞竭x擇柵極Rg值和拓撲。

6. GaN與SiC的比較

? ??氮化鎵、碳化硅以及硅材料半導體之間存在諸多差異。首先，氮化鎵半導體目前的目標電壓范圍為 80V 至 650V，在最高開關(guān)頻率下提供中等功率。氮化鎵和碳化硅半導體在最大功率密度下具有非常高的效率，同時開關(guān)損耗都比硅基半導體低。
? ??氮化鎵與碳化硅功率電子器件半導體之間的差異在于，與氮化鎵相比，碳化硅功率半導體具有卓越的柵極氧化物可靠性、出色的易用性，而且非常堅固，采用的是垂直晶體管概念，而氮化鎵采用的則是橫向晶體管概念。
? ??氮化鎵和碳化硅為應(yīng)用解決方案領(lǐng)域帶來了不同的優(yōu)勢。然而，材料優(yōu)勢取決于其應(yīng)用。例如，碳化硅在高溫高壓應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，如大功率串式逆變器。就高溫能力而言，較低的溫度系數(shù)和高阻斷電壓能力最能滿足應(yīng)用需求。
? ??在終極功率密度方面，氮化鎵更勝一籌。這在結(jié)構(gòu)體積非常有限的應(yīng)用中尤其如此，例如數(shù)據(jù)中心的開關(guān)電源，因為在特定的空間內(nèi)，功率水平會增加。這種情況下，效率和高開關(guān)頻率的結(jié)合將應(yīng)用推向了其他技術(shù)難以企及的新水平。

7. 選擇IGBT還是SiC？

選擇IGBT還是SiC，一般是根據(jù)客戶控制器的輸出功率大小及直流母線電壓的大小來決定，如圖12。

圖12 IGBT與SiC的選擇

從上圖可看出，400V及功率120kW以下，一般選擇IGBT。功率150kW，IGBT與SiC各有優(yōu)勢。當功率超過180kW，無論是400V還是800V系統(tǒng)，一般選擇SiC。
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總結(jié)

富昌電子系統(tǒng)設(shè)計中心可以提供從產(chǎn)品方案介紹到評估，以及開發(fā)工具包、參考設(shè)計、演示板、概念驗證和其他各種設(shè)計咨詢服務(wù)的完整解決方案。
如您對碳化硅（SiC）的設(shè)計存有任何問題，歡迎您隨時與富昌電子的技術(shù)團隊取得聯(lián)系。
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掃描二維碼
聯(lián)系富昌，獲得SiC技術(shù)支持

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9. 參考文獻

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【8】如何調(diào)整碳化硅 MOSFET 驅(qū)動減少功率損耗，L. Abbatelli, C. Brusca, G. Catalisano，STMicroelectronics 2015
【9】SiC MOSFET短路特性及保護方法，Infineon Technologies 2020
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