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碳化硅开关管的选择
* 应用增强型碳化硅结型晶体管的功率因数校正技术 Robin Kelley1,2, Michael Mazzola1, Shane Morrison2, Igor Sankin2, David Sheridan2, and Jeff Casady2 密西西比州立大学车辆系统研究中心 E-mail: mazzola@ 目录 碳化硅开关器件的选择问题 三端(无共源共栅结构放大器)增强型(常关)碳化硅结型场效应晶体管 在采用标准PWM芯片或MOSFET驱动器的场合采用插入式替换设计 在商用PFC评估板上测得的实验结果 门极驱动电压范围的减小,这是致命的弱点吗? 碳化硅开关器件的选择-优缺点对比 1200V 碳化硅DMOSFET 1200V 碳化硅结型晶体管 优点: 常关 比一般的硅MOSFET的Rds(on)小得多(大约为1/5-1/10) 比一般的硅MOSFET的Rds(on)Qg稍小 较高的结温 插入式替换-可插入现有插口中 缺点: 碳化硅MOSFET 的稳定性 碳化硅PN体二极管的稳定性 成本为3美元 优点: 常关 比硅MOSFET损耗低 结温高 缺点: 碳化硅基射极的稳定性 低电流增益 可替换插口? 成本为3美元 碳化硅开关管的选择-优缺点对比 1200V 碳化硅DM 横向导电型场效应晶体管 优点: 比硅MOSFET的导通电阻低得多(1/10 ~1/20) 比硅MOSFET的Qg低得多 结温较高 缺点: 常开 无可替换插口(W/O 共源共栅结构硅MOSFET) 碳化硅体二极管的稳定性 成本2美元/共源共栅结构成本为3美元 1200V 碳化硅EM 垂直导电型场效应晶体管 优点: 常关 比硅MOSFET的导通电阻低得多(1/20 ~1/30) 比硅MOSFET的Qg低得多 结温较高 无体二极管 插入式可替换结构-可插入现有插口中 缺点: 门极驱动电压波动 成本为1美元/ IDSS 误差放大器成本为2美元 功率半导体公司公认 本文的重点 在商用封装中的应用范围 近三个月来,由Semisouth或CAVS公司封装的碳化硅垂直导电型结型晶体管的应用实例 单体 额定电压1200V 封装TO247 雪崩击穿电压1500V 0.1欧导通电阻 IDSS为40A 多体 额定电压600V 固态功率控制器 在斩波电路中采用SBD 增强模式 0.015欧导通电阻 IDSS为150A 多体 额定电压600V 半桥功率模块 在反并联结构中采用SBD 带门极驱动电路 0.003欧导通电阻 IDSS大于600A 高频交流环节矩阵变换器 蓄电池电动汽车中永磁电机驱动电路 飞机或汽车用能量管理或分配系统 带碳化硅P-N 结的单极性器件 开关速度高 易于并联 无双极性退化/门极氧化问题 高的击穿值/雪崩限制值 垂直导电沟道 高的沟道填充密度/高的电子迁移率(对C-轴) 由布局限制了门限电压 简单的自对准工艺-低成本 更多门极面积可延伸至漏极:Coss取决于密勒电容 两种不同的功率结型晶体管的剖面图(a)LC/V (b)VC/V 碳化硅单极性功率开关管:结型晶体管 600 V ~ 1200 V, 20 A ~ 50 A 4H-碳化硅功率结型晶体管 碳化硅单极性功率开关管:结型晶体管 :600 V ~ 1200 V 4H-SiC E-mode Power VJFET 在RT 和200oC时测得的漏极电流-电压曲线族 800V和1800V常关型V结型晶体管模块参数 常关型碳化硅V结型晶体管模块 碳化硅VJ结型晶体管的选择 由电介质限制的截止电压为VGS=0V ~+1.25V 门槛电压 在TO257金属盒封装的单个器件 – Rds(on) = 80 mΩ @ T = 25°C – IDSS = 18 A – IG(leakage) = 8 mA @ VGS = 2.5 V –双极性模式可忽略(最小空穴注入法) –高效的电流转移比200 更多信息请查询: – – brice.moore@ 门极驱动电平移动 典型的COTS MOSFET控制器/驱动IC –单电源供电VCC = 15 V. –直流耦合,1-5A源或负载 按照EM V结型晶体管的需要做的相应改动 –和BJT-驱动电路一样,需要 加入限流电阻和并联旁路电容 –为保证了门极的绝缘性能,将电流转移比变得很高 基极驱动的选取 ? RC的设计要求: –为减小Rds(on), IDSS的值最大,选择VGS = +2.5V –在VGS = +2.5V 和VGG = 15 V情况下,电阻值的选取必须限制正向门极电流 –电容器的尺寸要大于Ciss ? 最初选择的Cg 应该为开关器件输入电容的十倍,并且为保证最佳性能Cg应该是可调的。 ? Rg = (VGG – VGS ) / IG “
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