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碳化硅(SiC)在电力电子产品中的应用正在加速增长-国晶微半导体

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作者:碳化硅肖特基二极管选型工程师来源:国晶微半导体

    碳化硅(SiC)在电力电子产品中的应用正在加速增长,因为与硅相比,碳化硅可以降低功率和开关损耗以及更紧凑的外形尺寸,而价格的下降使其成为电力半导体开发商越来越有吸引力的选择。


    在电力电子技术中,要求在更高的电压下具有更高的开关性能。空间要求、重量和效率在选择工业电机控制系统、可再生能源发电和电动汽车等应用部件时也起着关键作用。其目的是最小化成本和工作量,同时**限度地提高应用程序的质量。


    虽然硅(Si)二极管通常是这里选择的标准产品,但基于SiC的元件具有显著的优势,尤其是在电压为600V以上时。由于电路应用中的高性能元件总是与脉冲电流一起使用,它们还需要考虑开关损耗以及反向恢复电流产生的电磁干扰。


    开关和正向电压损失


    开关损耗是在每个开关过程中产生的,例如在开关元件时。随着开关频率的增加,相应的损耗也随之增加,从而导致系统的整体功率损耗。这就是为什么,当开关频率很高时,系统的总功率损耗很大一部分是由于这个原因造成的。如果在这些应用中使用硅元件,则高功率损耗和由此产生的热量要求限制负载电流或实施昂贵的冷却。


    就网络频率而言,正向电压损耗起着更大的作用,而当开关频率从几个100Hz以上时,由此产生的开关损耗占主导地位。


    在反向电压非常高的情况下,反向电压损耗也起到了一定的作用——特别是在高温下。SiC肖特基二极管在这些情况下是理想的,因为它们提供非常低的反向恢复电流和较短的反向恢复时间,这使得它们能够大大减少相关的能量损失。


    二极管的功率损耗随着正向偏置电流的增加而增加,而反向偏置电流则保持不变。这就是为什么在低输出电流的情况下,升压电路中SiC肖特基二极管的漏电流IR占总损耗的比例不小。另一方面,在大电流下,正向电压UF是主要因素。由于肖特基二极管大部分时间都在反向偏置工作,反向恢复电流对二极管的功率损耗有很大影响,因此仅仅保持二极管的正向电压尽可能低是不够的。把IR和UF放在一起考虑,并评估它们对二极管总损耗的贡献,更有意义。

碳化硅功率器件的发展进程

    升压电路的输出电压越高,开关时间越长,肖特基二极管保持反向偏置的时间越长。用肖特基二极管降低正向电压会增加剩余反向电流,因此有必要寻找理想的二极管。


    因此,在选择二极管时,必须尽量减小正向电压损耗、开关损耗和电荷,同时也要**限度地提高击穿电压和软换相。为了确保良好的能源效率,考虑总功率损耗而不是单个模块参数通常是肖特基二极管更合理的方法。


    由于SiC肖特基二极管具有较低的开关损耗,并且在关断二极管时没有反向电流尖峰,因此其效率远高于Si二极管。无线电干扰相应地被减少,并且系统的电磁行为作为一个整体被改进。


    工作温度和热设计


    热设计在电力电子系统中起着关键作用,以确保高功率密度,从而使生产更紧凑的系统。在高电流下,碳化硅肖特基二极管容易产生过多的热输出。高热级和高泄漏电流(IR)的结合会导致封装和环境温度的升高。因此,不当的热设计可能会产生无法散发的热量。这种情况的一个可能结果是“热失控”,这是一种极快的热量积聚,可能损坏部件,甚至可能损坏整个系统。


    SiC肖特基二极管与Si肖特基二极管的温度关系有很大的不同。碳化硅的导热系数几乎是硅的三倍,这使得碳化硅非常适合更高的工作温度。当操作SiC功率半导体时,更少的热损失也需要更高的效率和更小的散热器,这降低了应用的空间要求和重量。


    当正向电压Vf随高温下的工作电阻增加时,这有助于防止热失控,使SiC肖特基二极管也能并联。由于它们的正温度系数,它们也比硅二极管更适用于高压并联电路。


    功率因数校正


    欧洲标准EN61000-3-2规定了用于向公众出售并具有有功功率的装置的电源电流谐波含量限值。它还定义了超过75W时的限制和例外。在实践中,这意味着在许多情况下,基本AC/DC转换不允许使用带后续滤波的桥式整流器,因为在这种情况下,电源电流是脉冲的,并且表现出更高的谐波含量。一个被称为“功率因数预调节器”或“功率因数校正器”(PFC)的助推器被用来保持大致的正弦曲线。


    CCM-PFC控制器(连续传导模式)是高性能PSU的首选有源拓扑。这种设计对反激二极管提出以下要求:


    低反向恢复时间/电荷(trr/Qrr),以降低MOSFET的导通损耗和二极管的开关损耗。


    低正向电压Vf,以减少传导损耗和


    减少电磁辐射(EMI)的软反向恢复曲线。


    因此,SiC肖特基二极管是这种情况下的理想解决方案。


    每个应用的**二极管


    硅二极管是低压应用的首选。另一方面,在600V~1200V高压应用中,SiC二极管具有显著的技术优势,成本较高。在200-600V范围内,开关频率和电流是关键因素。在各种应用中,包括在电动汽车充电站和车载充电器(OBC)、电动和混合动力车辆的功率转换器、开关模式电源单元和PFC电路中,SiC二极管作为电感和MOSFET/IGBTs的反激二极管,以及太阳能和风力DC/AC转换器中的逆变器。


    肖特基整流二极管STPSC10H12与碳化硅衬底提供了低正向电压和额定电压1200V,因为材料的大带隙。由于肖特基设计,它在关断时没有反向恢复时间,振荡趋势可以忽略不计。它们的最小电容性开关特性与温度无关。SiC二极管STPSC10H12特别适合于PFC和二次应用,在硬开关条件下提高性能。规定在-40°C和+175°C之间的连接温度下操作。还可使用STPSC10H12-Y的形式提供AEC-Q101-合格的汽车版本,该版本还支持PPAP。


    无锡国晶微半导体技术有限公司是宽禁带第三代半导体碳化硅SiC功率器件、氮化镓GaN光电器件以及常规集成电路研发及产业化的高科技创新型企业,从事碳化硅场效应管,碳化硅肖特基二极管、GaN光电光耦继电器、单片机集成电路等产品芯片设计、生产与销售并提供相关产品整体方案设计配套服务,总部位于江苏省无锡市高新技术开发区内,并在杭州、深圳和香港设有研发中心和销售服务支持中心及办事处。


    公司具有国内领先的研发实力,专注于为客户提供高效能、低功耗、低阻值、品质稳定的碳化硅高低功率器件及光电集成电路产品,同时提供一站式的应用解决方案和现场技术支持服务,使客户的系统性能优异、灵活可靠,并具有成本竞争力。


    公司的碳化硅功率器件涵盖650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,产品已经投入批量生产,产品完全可以对标国际品牌同行的先进品质及水平。先后推出全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、通过工业级、车规级可靠性测试的碳化硅MOSFET系列产品,性能达到国际先进水平,应用于太阳能逆变电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频电焊、轨道交通、工业控制特种电源、国防军工等领域。由于其具有高速开关和低导通电阻的特性,即使在高温条件下也能体现优异的电气特性,大幅降低开关损耗,使元器件更小型化及轻量化,效能更高效,提高系统整体可靠性,可使电动汽车在续航里程提升10%,整车重量降低5%左右,并实现设计用充电桩的高温环境下安全、稳定运行。


    特别在高低压光耦半导体技术方面更是拥有业内领先的研发团队。在国内创先设计开发了28nm光敏光栅开关PVG芯片技术,并成功量产应用于60V、400V、600V高低压、低内阻、低电容的光电耦合继电器芯片、涵盖1500kVrmsSOP超小封装及3750kVrms隔离增强型常规SMD、DIP等不同封装,单路、双路、混合双路、常开常闭等电路产品,另包括200VSOIMOS/LIGBT集成芯片、100VCMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit单片机等集成电路产品,均获得市场及各重点科研单位、检测机构的新产品认定。


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