在中国电业期刊网上我们将揭开如何大幅提升开关电源转换器性能的神秘面纱全面发掘SiC器件的无与伦比优势

  • 科研动态
  • 2025年05月12日
  • 在过去的几十年中,半导体行业一直致力于提升基于硅MOSFET(parasitic parameters)的性能,以满足开关转换器设计人员的需求。行业效率标准和市场对高效技术的双重驱动,催生了对构建更高效、更紧凑电源解决方案所需半导体产品的大量需求。这场需求浪潮孕育出宽带隙(WBG)技术器件,如碳化硅场效应管(SiC MOSFET)。它们提供了设计人员所需的低寄生参数

在中国电业期刊网上我们将揭开如何大幅提升开关电源转换器性能的神秘面纱全面发掘SiC器件的无与伦比优势

在过去的几十年中,半导体行业一直致力于提升基于硅MOSFET(parasitic parameters)的性能,以满足开关转换器设计人员的需求。行业效率标准和市场对高效技术的双重驱动,催生了对构建更高效、更紧凑电源解决方案所需半导体产品的大量需求。这场需求浪潮孕育出宽带隙(WBG)技术器件,如碳化硅场效应管(SiC MOSFET)。它们提供了设计人员所需的低寄生参数,适用于开关电源(SMPS)的设计要求。650V 碳化硅场效应管器件推出后,可以补充之前只有1200V碳化硅场效果需要,而碳化硅MOSFET由于能够实现Si MOSFET以前从未考虑过的应用,因此显得格外吸引人。碳化硅MOSFET正逐渐被用于千瓦级功率水平应用,涵盖如通用电源、服务器电源以及快速增长的电动汽车充电器市场等领域。

其独特之处在于与它们相比具有更优异可靠性的特性。在持续使用内部体二极管连续导通模式(CCM)功率因数校正(PFC)设计,如图腾功率因数校正器硬开关拓扑中的利用上,碳化硅MOSFET可以发挥最大优势。此外,由于能在更高频率下运作,从而实现更加紧凑和小型化的电源转换器设计。不言而喻,没有免费午餐,在内部体二极管和寄生参数方面,碳化硅MOSFET拥有更多优势,但代价是在某些方面表现不及SiC MOSFET。这就要求设计人员投入时间来全面了解碳化硅MOSFET的特性和功能,并考虑如何向新拓扑架构过渡。一点非常明确:carbonized silicon-based devices are not simply replacing Si-based ones, as using them without proper adjustments may lead to efficiency drops instead of enhancements.

例如,在谐振LLC转换器上,如果不对电路进行相应调整,在轻负载时可能导致效率降低多达0.5%。此外,如果要获得最高峰值效益,则必须通过打开carbonized silicon MOSFETS沟道而不是仅依赖内部二极管进行升压。此外,还有一个考量点是结壳热阻,这一差别虽然存在,但实际应用中可以忽略。在工作温度范围内,与Si-based counterparts相比,从参数上可以迅速明白carbonized silicon MOSFTs的一个好处——即导通阻抗RDS(on)。

在芯片温度100°C时,一种84mΩ CoolSiC device具有与57mΩ CoolMOS device相同RDS(on),但其斜率倍增系数较低,对温度变化影响较小,这意味着Carbon Si-Mosfet对于那些需要室外或启动条件温差大的设备尤为有利。此图表清楚地显示CoolSic-Mosfet与CoolMos之间RDS(on)曲线基本相当且只会随着温度增加而略微提升,使得CoolSic-Mosfet在室温运行下表现稳定且有效。

然而,对传输特性的改变很有限,比如25°C至150°C之间,只见到很小幅度上的改观。而避免负栅极输入也是一个问题,因为这可能导致栅阈值漂移并影响整系统寿命下的性能。在实际操作中,不应该施加负栅-源断接压力,而且当VGS< -2V且持续15ns以上时,即使只是短暂出现也会造成这一问题。

另一个常见原因是由高速关闭流通过寄生感产生的一次性振荡,以及由第二个Carbon-Si mosfet 高dv/dt开关引起的一次性振荡。而这些通常都能通过插入额外阻抗或减慢di/dt和dv/dt来解决。但是对于Carbon-Si mosfets来说,只需将两端间加装钝制二极片即可防止这一现象发生。而如果该振荡纯粹为感受作用,那么分离source terminal into separate voltage and current terminals并添加钝制二极片就能防止这种现象出现。而最理想的情况则是在大流量环境下使用Kelvin source封装以进一步提高性能。

最后,我们还看到尽管COSS输出容量稍大但仍然能够实现超过99%工作情况下的峰值VDS>50v情况下的超越九成百分之五十六维斯实测数据表达出的限制20%设置为80%,这意味着为了满足这个要求必须采用一种比较强劲抵抗策略;同样地COSS输出容量大小直接决定了它是否能够处理给定的工程任务完成;因此我们认为所有这些技术指标共同组成了完美无瑕、高质量、高精度、高安全性的新时代科技发展趋势方向,是我们未来研究重点探索方向之一,同时也是我们的长期目标追求方向之一;同时也说明为什么我们选择了这个特别重要的问题作为本次会议讨论主题,以便让全世界专业人士们深入交流探讨,并促进相关知识技能水平不断提升,为全球能源管理系统带来新的变革与突破。

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