不斷提升能效的需求影響著汽車和可再生能源等多個領(lǐng)域的電子應(yīng)用設(shè)計。對于電動汽車 (EV) 而言,更高效率意味著更遠的續(xù)航里程;而在可再生能源領(lǐng)域,發(fā)電效率更高代表著能夠更充分地將太陽能或風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。
圖1.在電動汽車和可再生能源領(lǐng)域,對更高效率的不懈追求正推動著設(shè)計向前發(fā)展
這兩大領(lǐng)域都廣泛采用開關(guān)電子器件,因而又催生了更高電壓器件的需求。電壓和效率之間的關(guān)系遵循歐姆定律,也就是說電路中產(chǎn)生的功耗或損耗與電流的平方成正比。同理,當電壓加倍時,電路中的電流會減半,因而損耗會降到四分之一。根據(jù)這個原理,為了減少傳輸損耗,電力公司通常使用超高電壓來輸送電力,比如英國的電網(wǎng)電壓常為275,000伏或400,000伏。
電力公司依賴重型變壓器等設(shè)備來處理高傳輸電壓,而汽車和可再生能源領(lǐng)域的情況要更復(fù)雜一些,因為相關(guān)應(yīng)用中通常涉及大量電子設(shè)備。
半導(dǎo)體設(shè)計面臨高電壓挑戰(zhàn)
基于開關(guān)電力電子器件的轉(zhuǎn)換器和逆變器是可再生能源發(fā)電廠和電動汽車的關(guān)鍵組件。雖然MOSFET和IGBT都可以用在相關(guān)系統(tǒng)中,但前者的柵極驅(qū)動功率較低、開關(guān)速度更佳且在低電壓下效率更高,所以MOSFET占據(jù)了市場主導(dǎo)地位,并廣泛用于各類電力電子應(yīng)用。
功率MOSFET主要有三個作用,即阻斷、開關(guān)和導(dǎo)通(如圖2所示),因此該器件必須滿足每個階段的要求。
圖2.在開關(guān)階段,MOSFET需要能夠切斷漏極和源極之間的大電壓;
在阻斷階段,MOSFET要能完全承受應(yīng)用的額定電壓;而在導(dǎo)通和開關(guān)階段,又必須滿足對電路損耗和開關(guān)頻率的要求。導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都會影響整體效率,更高的開關(guān)頻率有利于搭建更小更輕的系統(tǒng),而尺寸和重量恰好是電動汽車和工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵屬性。
追求更高電壓的趨勢正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)硅MOSFET的極限,并且實現(xiàn)低導(dǎo)通損耗和快速開關(guān)時間所需的低RDS(on)和高柵極電荷值也越來越困難,同時成本也在不斷攀升。因此,電力電子設(shè)計人員轉(zhuǎn)而借助碳化硅(SiC)來實現(xiàn)更高的效率。SiC是一種寬禁帶材料,與硅相比具有多項優(yōu)勢,包括熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低和最大電流密度更高等,因此在導(dǎo)電性能方面表現(xiàn)更加優(yōu)異。此外,SiC的臨界擊穿場強更高,也就是說較薄的器件就能夠滿足額定電壓的需求,從而能夠大幅縮小器件尺寸。
目前SiC MOSFET能夠承受近10kV的超高電壓閾值,而硅MOSFET能夠承受的電壓閾值僅為1.5kV。此外,SiC器件的開關(guān)損耗較低、工作頻率較高,因此能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)異的效率,尤其適合用于工作溫度較高、熱導(dǎo)率要求高的大電流、高功率應(yīng)用。
安森美 (onsemi) 能夠滿足對更高電壓的需求
為了滿足對高擊穿電壓器件日益增長的市場需求,安森美構(gòu)建了內(nèi)部端到端SiC制造能力,能夠制造SiC二極管、SiC MOSFET和SiC模塊等一系列產(chǎn)品。
相關(guān)產(chǎn)品系列包括NTBG028N170M1,這是一款擊穿電壓較高的SiC MOSFET,如圖3所示。這款N溝道平面器件針對高電壓下的快速開關(guān)應(yīng)用進行了優(yōu)化,VDSS為1700V,擴展VGS為-15/+25V。
圖3.安森美的NTBG028N170M1
NTBG028N170M1支持高達71A的連續(xù)漏極電流(ID)和高達195A的脈沖漏極電流,且其 RDS(ON) 典型值僅為28mΩ,有助于減少導(dǎo)通損耗。另外,該器件的柵極電荷 (QG(tot)) 非常低,僅為222nC,可確保進一步降低高頻工作期間的損耗,此外器件采用D2PAK–7L表面貼裝,可以減小工作期間的寄生效應(yīng)。
安森美EliteSiC系列還包括一系列額定電壓為1700V的SiC肖特基二極管,這些二極管可在整流器等電力電子系統(tǒng)中與MOSFET搭配使用。這些二極管具有較高的最大反向重復(fù)峰值電壓 (VRRM)、較低的正向峰值電壓 (VFM) 和出色的反向漏電流,使設(shè)計工程師能夠在高溫環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的高電壓運行。
EliteSiC助力打造高效的電力電子設(shè)計
在依賴電力電子設(shè)備的應(yīng)用中,對更高效率的探索從未停歇。隨著系統(tǒng)電壓的不斷提高,傳統(tǒng)的Si-MOSFET無法適應(yīng)未來需求。SiC器件為相關(guān)設(shè)計人員指明了新方向,使其能夠在提高效率的同時,縮小器件尺寸,滿足更嚴格的應(yīng)用要求。安森美的1700V NTBG028N170M1能夠幫助工程師在關(guān)鍵電力電子系統(tǒng)中實現(xiàn)更高電壓的設(shè)計。