应用增强型碳化硅结型晶体管的功率因数校正技术

1、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: 目录目录l碳化硅开关器件的选择问题l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l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l在商用PFC评估板上测得的实验结果l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碳

2、化硅开关器件的选择-优缺点对比优缺点对比1200V 碳化硅碳化硅DMOSFET1200V 碳化硅结型晶体管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碳化硅开关管的选择-优缺点对比优缺点对比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（

3、1/101/20）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（1/201/30）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T

4、O247l雪崩击穿电压1500Vl0.1欧导通电阻lIDSS为40A多体 额定电压600V 固态功率控制器l在斩波电路中采用SBDl增强模式l0.015欧导通电阻lIDSS为150A多体 额定电压600V 半桥功率模块l在反并联结构中采用SBDl带门极驱动电路l0.003欧导通电阻lIDSS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带碳化硅P-N 结的单极性器件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

5、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200C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(o

6、n) = 80 m T = 25C 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： 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

7、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“插入式”演示板的说明 由Fairchild 公司半导体生产的FEB-109评估板 300瓦离线式连续模式功率因数校正的开关模式电源 ML4821 功率因数校正控制器（平均电流模式） 100kHzBoost 的IGBTBoost 的二极管PFC 的控制器整流器FEB-109 评估板的电路图 PFC 演示板的参数: VIN : 85 265 VAC VOUT :400 V POUT :300 W fs :

8、 100 kHz主功率开关器件：600V / 34A的 IGBT将原有电路中的续流二极管更换为碳化硅SBD-为了作对比分析精细功率分析仪（ YokagawaPZ4000 ）-用于精确调节测定基准电路的系统效率IGBT 的开关波形Vin-整流后的输入电压（紫色，100V/格）VOUT-输出电压（绿色，200V/格）VDS-IGBT 集-射极电压（蓝色， 200V/格）VGE-门-射极电压（褐色， 20V/格）PFC 电路的参考标准PFC电路的参考标准 功率分析仪用于评估整个输入电压和负载范围的系统效率在FEB-109评估板上所做的修改1.代替 w/ SiC SBD2.用 碳化硅JFET代替3.改

9、变电阻值4.加入电容采用碳化硅SBD和JFET 的演示板碳化硅SBDEM碳化硅JFETPFC演示板的PCB板采用EM碳化硅结型晶体管的工作波形 启动前，器件截止电压为VGS = 0 V 启动后， RC 门极驱动电平将由驱动器IC的输出转换为JFET 门极期望的偏置电压。 在门极驱动器中加入旁路电容是用来将门极信号变负以加速关断采用JFET的效率曲线 在最低输入电压时的最大开关电流 满载时最高效率 在最低输入电压和最大功率时有1.25%的效率提升EM碳化硅结型晶体管和硅IGBT*漏极电流为红色方框区域内 由800-V, 11A EM碳化硅结型晶体管代替600-V, 34-A 硅IGBT在进入饱和

10、区之前先到达欧姆区致使导通损耗明显的减小（50%）开通速度提高了2.5倍（由FWD的换向速度限制了关断速度）器件输入电压开通时间关断时间dV/dt（导通）dV/dt（关断）Sic JFETIGBT240VAC 120VAC240VAC 120VAC32ns 38ns100 80ns170ns 92ns176 103ns9.98V/ns 8.88V/ns 1.88V/ns 3.47V/ns 3.20V/ns 3.99V/ns 1.82V/ns 3.10V/ns 旁路电容器的剩余电荷由电平变化引起的负向“跳跃”为避免直通，dVDG/dt 24 V/ns 门极驱动电压控制在门极驱动电压控制在0-2.5V0-2.5V之间会怎么样？之间会怎么样？SiC JFET 漏极电压SiC JFET 门极电压 PWM 控制器输出 结论 请不要说“但是结型晶体管是常开型器件”他们不一定采用碳化硅。 请询问生产碳化硅开关器件的厂家有关常关型碳化硅结型