双栅结构 SiC FETs 在电路保护中的应用

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2022 年 12 月 6 - 7 日,中国电工技术学会低压电器专业委员会第二十一届学术年会、第十七届中国智能电工技术论坛暨固态新型断路器技术发展及应用国际研讨会(第二季)于江苏常州顺利召开。作为一场行业盛会,该会议主要围绕固态/混合式新型断路器的最新技术、前沿标准、全新检测业务方向等相关解决方案进行深入研讨。
 
Qorvo 公司的高级应用工程师敬勇攀也在 “固态断路器国际论坛”上发表了题为《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》的演讲。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 Qorvo 高级应用工程师敬勇攀
 
据介绍,Qorvo 是一家专注于射频领域,在包括 5G、WiFi 和 UWB 等通信技术都有投入的公司。此外,Qorvo 在触控和电源等方面也有布局。如在 2021 年领先碳化硅(SiC)功率半导体供应商 UnitedSiC 公司的收购,就扩展 Qorvo 在高功率应用方面的市场机会,这部分业务也被纳入了 Qorvo 的 IDP 部门。
 
敬勇攀在演讲中也指出,UnitedSiC 团队从 1994 年开始就开始投入碳化硅领域的研究,截止在这方面有了 23 年的投入。而早在 2014 年,UnitedSiC 就已经成功量产了四英寸的 1200V 和 650V 的碳化硅 FETS 和二极管结构的产品。到了 2018 年,UnitedSiC 成功在六吋晶圆上量产了第三代的 1200V 和 750V 碳化硅产品。目前,这些产品也升级到第四代。
 
“基于我们碳化硅产品的多样性,Qorvo 有能力在包括固态变压器在内的电力电子的多个应用领域发挥重要的作用。”敬勇攀说。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
首先看汽车方面,如上图所示,因为新能源汽车的火热,催生了 SiC 的需求。这也是一个 SiC 拥有巨大潜力的市场,尤其是在 OBC 充电方面。
 
据敬勇攀介绍,现在市场上已经提供了有 6.6KW - 22KW 等多种功率段的方案。而在这些方案的 FPC 侧,基本上都会用到 SiC 器件以提升方案效率;5KW 左右的 “小功率” 汽车充电领域,也会用到 SiC 产品来打造 DC-DC 转换器系统;在新能源汽车市场,牵引系统也会是 SiC 发力的又一个方向,例如特斯拉和比亚迪等厂商就会在其高端电动汽车的牵引系统上选择 SiC 方案,有助于提升其续航能力。
 
其次,与新能源汽车配套充电桩行业也是 SiC 能够发挥作用的又一个市场。而 Qorvo 现在更专注的是直流快充市场。在这个领域,企业基于 SiC 打造了涵盖 20KW、30KW 甚至 40KW 功率的单个模块。“现在国外有些厂商基于 800V 母线做出了 350KW 的充电方案,代表着可以在八分钟内就完成 400 公里续航充电。”敬勇攀举例说。此外,充电桩里的无线充电也是 SiC 可以发力的又一个方向。
 
第三,IT 市场的基础设施建设也让 SiC 有了用武之地。如 Qorvo 的器件可以用在图腾柱的 PFC 上,用做功率因素校准等。同时,小的 DCDC 也是 SiC 的应用方向;第四,如光伏逆变、能源再生和能源反馈市场也是 SiC 看上的又一个市场。
 
最后,SiC 还可以充当电路保护器件,尤其是在固态电路中,SiC 能发挥出比较好的电路保护作用,这也是敬勇攀这次演讲的重点。
 
如下图所示,如果硅基器件要做到耐压 650V 或者更高时,其所需要的晶圆面积较大。作为对比,SiC 基的器件即使在打造 1000V 以上耐压的产品,其晶圆面积反而会较小。从下图右边硅、普通平面 SiC MOS 和 Qorvo (原 UnitedSiC ) 的 SiC Trench JFET 的漂移区厚度对比可以看到,Qorvo 的器件在尺寸上优势明显。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
“如图所说,Qorvo 器件的漂移区厚度虽然和传统平面 SiC 器件的相仿,但因为 Qorvo 器件能把 die size 做得更小,这就让公司的器件拥有了更大的成本优势。这也是一直以来做的事情——把 SiC Trench JFET 和低压硅 MOS 集成到一起,做成现有的结构,使其在性能和成本上都能取得不错的表现。”敬勇攀在演讲中强调。
 
据敬勇攀总结,SiC 基器件拥有下面几点优势:
 
1. 与硅基器件相比,SiC 器件的导热性能是前者的三倍以上;
2. 与硅基器件相比,SiC 器件单 Si 面积内的耐受电压是前者的四倍;
3. 由于 SiC 器件的电子漂移率是硅基器件的十倍以上,因此对于给定的耐压值,其每平方毫米的 RdsA 变小,导通损耗也能做得更小;
4. 在不依赖于双极性传导时,SiC 具有更快的关闭速度和更低损耗;
 
再回到上面谈到的固态断路器应用。如下图所示,三种不同结构的 JFET 都适用于这个市场。其中,第一种基于碳化硅 JFET 型的常开器件,这种器件主要用于断路器和限流等应用,因为在这种器件,我们能直接测量 RDS 电压,那就意味着我们可以直接测量器件内部的结温,因此这是一种非常理想的自我监测型器件。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
中间的这种器件则是 Casecade 结构,由 JFET SiC 和作为驱动的低压 MOS 两部分构成。而这种设计的好处是其驱动可以做兼容式设计,可兼容 IGBT、硅基超级结 MOS 和通用 SiC MOS 的驱动,能在设计的过程中给工程师提供非常大的便利。得益于这些优势,这种器件能够应用在光伏、充电桩、OBC 和服务器电源等应用中。
 
最右边的设计则是一种双门级设计,其最明显的优势体现在使用者可以非常轻易地控制 SiC 的开关速度,应用范围也囊括了断路器和刹车等领域。在演讲中,敬勇攀还表示,这种双门级结构拥有两种不同的驱动模式,分别是基于 Cascode 的驱动和直接驱动。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
在第一种驱动中,如上图所示,这种设计的最明显的特点就是在 JFET 上增加了一个串联进门极电路的外部驱动电阻,其优势是驱动简单、对于在第三象限的工况,内部具有非常低的 Vf 值,能提高效率。“基于我们特殊的 Cascode 设计,我们产品的第三现象导通压降处于 1 到 1.5V 之间,有利于系统效率的提高。”敬勇攀说。
 
至于直驱型设计,其优势则包括:1. 可以更好的控制 JFET 的开关速度;2. 可以进一步减少 Rdson;3. 可以实时监测器件的结温。
 
在接下来的演讲中,敬勇攀用多个图表展示和 DEMO 讲述了Qorvo SiC 在包括固态断路在内的多个应用优势。
 
如下图所示,最左边的图是一个直驱的方式直接控制 Sic Jfet 的门级。最左边的是不同Vgs下实时对应的器件结温。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
下图上方展示了用 3 个 T0247 封装的 1200V,9m 的双门级器件并联所做的一个固态断路器的测试。从图中我们也可以看到器件是采用 cascade 驱动的方式实现的。这样有利于简化驱动。另外我们可以看到 Rjfet 的驱动电阻是 5Ω,并且在每一个器件的都并有 RC snubber,吸收电容是 3nf,吸收电阻:11Ω,它作为关断时可以起到对 VDS 的电压尖峰吸收的作用。
 
下图下方两个图的其中一个是器件的结温跟 Rdson 成正相关曲线,即结温越高,Rdson 也就越大。另一个是 JFET 的门级阈值电压跟随结温的波动曲线,从图中可以看到 JFET 的结温越高,阈值电压也就越高。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
下图则展示了三个器件并联以后做的一个固态短路器的测试波形。其中,红色线表示 VDS,绿色线代表 ID,其峰值电流在 1150A,蓝色线代表 VGS,驱动电平在 18V 左右。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
在Qorvo,我们现在提供了一个供源极的双驱动的模块,并且 Rdosn 是 1.4mΩ,由 24die 构成。而传统的是由 6 个 SOT227 并联构成一个 1.5mΩ CSD,并且它是由 36die 构成。因此从体积,开通损坏来说,我们的器件都更具有优势。另外,右边的图给出了 CSD 的 Rdson 的测量方法。从图中我们可以看到 D1,D2 是器件的主功率端子,而白色的是 MG1 和 SK1,以及 MG2 和 SK2 的驱动引脚。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
通过下方的浪涌测试设置的原理框图,我们可以看到最右边是隔离电源和隔离的门级驱动,驱动电压设置为 15V,和 -5V,外部的驱动电阻 Rgon 是 2.2 并联 0.6Ω,Rgoff 是 0.6Ω,为了简便期间,这里我们把 CSD 的驱动供用一路驱动来实现,并且没有带推饱和检测。但是在实际应用中我们建议最好由 2 路隔离驱动,并且每一路都带有推饱和检测功能。另外我们在母线上并联了 6 组 RC sunnber 做关断时的电压尖峰吸收,以及并联了压敏电阻可以泄放浪涌器件的能量,最后我们在负载线上串联了 2 颗 5mΩ 的电阻,用于电流检测。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
如图展示的是浪涌测试时的电流波形。其中绿色的线时 IDS,峰值高达 6650A,红色的线是 D1 和 D2 的电压,其峰值电压可以高达 940V,蓝色线是 CSD 模块的驱动电压。我们可以看到在 CSD 模块导体的 240us 内,负载或者器件电流达 6650A。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
在浪涌实验中,我们也仿真了器件内部的结温,图中粉红色的线是 CSD 模块内部 Q1 器件的结温,黄色的线是 CSD 模块内部 Q2 器件的结温。我们可以观察到在 CSD 导通的 240us 内,CSD 模块内部的结温最高是在 57°C,而当器件关断时,由于会产生一个比较大的关断损耗,导致器件的结温上升到 68°C,但这些都是在器件的设计范围以内。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
 
最后,敬勇攀总结说,如下图所示,SiC Cascode FET 在固态电路保护中拥有多个优势。Qorvo 在未来也会继续推进技术发展,为客户提供更好的服务。
 
《双栅结构 Sic FETs 在电路保护中的应用》
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