滿足市場對下一代碳化硅器件的需求

作者：時間：2023-10-31 來源：安森美

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一些新出現(xiàn)的應(yīng)用使地球的未來充滿了激動人心的可能性，但同時也是人類所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一。例如，雖然太陽能可以提供無限的能源，但要想成功商業(yè)化，設(shè)計人員必須提供更高的功率和效率，同時不增加成本或尺寸。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202310/452253.htm

在汽車領(lǐng)域，目前電動汽車 (EV) 已經(jīng)非常普及，但由于人們擔(dān)心可用充電基礎(chǔ)設(shè)施、充電所需時間和續(xù)航里程有限等問題，電動汽車的普及仍然受到了限制。在這種情況下，設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)包括如何提高電氣效率、優(yōu)化動力總成的尺寸和重量，包括主驅(qū)逆變器和車載充電器 (OBC) 等元件，并不斷降低成本。

碳化硅器件的優(yōu)勢

硅基半導(dǎo)體器件自問世以來一直是功率應(yīng)用的主流。性能的提高加上電源轉(zhuǎn)換拓?fù)涞膭?chuàng)新，確保效率水平持續(xù)提升，從而滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。

然而，面對不斷提升的性能需求，硅基半導(dǎo)體進(jìn)一步改進(jìn)的空間有限，促使在新應(yīng)用中更多采用寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。

圖 1：多種應(yīng)用可受益于 SiC 器件的特性

SiC 功率半導(dǎo)體本身具有較高的電子遷移率和飽和速度，可在較高頻率下以相對較低的損耗運(yùn)行，從而減小了開關(guān)應(yīng)用中體積龐大的磁性器件的尺寸和成本。

圖 2：SiC 為電力系統(tǒng)帶來諸多優(yōu)勢

WBG 器件還具有較低的導(dǎo)通損耗，有助于提高效率。這使得充電器能夠更快地為電池充電，并降低了散熱要求，使得散熱器可以更小、更便宜。由于 SiC 能夠在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫 (Tj) 下工作，因此進(jìn)一步降低了對散熱器的需求。

為了進(jìn)一步提高效率，應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向更高電壓，以減小電流，從而降低損耗。例如，在過去幾年中，太陽能應(yīng)用中的直流母線電壓已從 600 V 升至 1500 V。同樣，電動汽車中的 400 VDC 總線（基于電池電壓）已升至 800 V 甚至 1000 V。

在此之前，750 V 額定值的硅基功率半導(dǎo)體幾乎可以滿足所有應(yīng)用的需要。不過，為了確保有足夠的耐壓能力實現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行，額定電壓為 1200 V 或 1700 V 的器件還是有必要的。幸運(yùn)的是，SiC 的另一個優(yōu)勢是能夠在這些高電壓下工作。

基于 SiC 技術(shù)的最新開關(guān)器件

為滿足汽車和太陽能等關(guān)鍵應(yīng)用對更高擊穿電壓的需求，安森美 (onsemi) 最近推出了 1700V M1 平面 EliteSiC MOSFET 器件，非常適合需要快速開關(guān)、高效率運(yùn)行的應(yīng)用。

作為首批商用器件之一，NTH4L028N170M1 具有 1700 V 的 VDSS，擴(kuò)展 VGS 為 -15/+25 V，RDS (ON) 典型值僅為 28 mÙ，因此適用于目前在用的最高電池電壓。由于能夠在高達(dá) 175°C 的結(jié)溫下連續(xù)運(yùn)行，因此無需使用風(fēng)扇（可能不夠可靠）或散熱器等散熱措施。在某些應(yīng)用中，完全不需要額外的散熱。

NTH4L028N170M1 的另一個有用特性是 TO-247-4L 封裝內(nèi)的開爾文源連接，可改善功耗并降低柵極引腳上的噪聲。

圖 3：安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET

為支持新型 MOSFET，安森美還發(fā)布了 D1 系列 1700 V SiC 肖特基二極管，包括 NDSH25170A 和 NDSH10170A。高額定電壓可使設(shè)計受益于反向重復(fù)峰值電壓(VRRM)之間的額外電壓裕量，從而提高可靠性。此外，D1 肖特基二極管有著較低的最大正向電壓 (VFM) 值和出色的反向漏電流，即使在高溫條件下也能確?？煽康母邏哼\(yùn)行。