碳化硅mosfet結構特征-應用優勢與Si MOSFET對比分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-04-21
在碳化硅mosfet的開發與應用方面，與相同功率等級的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導通電阻、開關損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩定性。
碳化硅mosfet（SiC MOSFET）N+源區和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進行退火激活。另一個關鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質生長方法。其溝槽星結構的優勢如下：
碳化硅mosfet采用溝槽結構可最大限度地發揮SiC的特性。
碳化硅mosfet的優勢在哪里？硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實現。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關損耗和更高的工作頻率。
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優勢。
碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說（特別當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標非常關鍵，它可以減小死區時間以及體二極管的反向恢復帶來的損耗和噪音，便于提高開關工作頻率。
碳化硅mosfet模塊在光伏、風電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統應用上具有巨大的優勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優勢，可以突破現有電動汽車電機設計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內外電動汽車電機領域研發的重點。如電裝和豐田合作開發的混合電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）內功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。
三菱開發的EV馬達驅動系統，使用SiC MOSFET模塊，功率驅動模塊集成到了電機內，實現了一體化和小型化目標。預計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應用在國內外的電動汽車上。
SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關注的器件。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。
在Si材料已經接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。
SiC材料與目前應該廣泛的Si材料相比，較高的熱導率決定了其高電流密度的特性，較高的禁帶寬度又決定了SiC器件的高擊穿場強和高工作溫度。其優點主要可以概括為以下幾點：
1) 高溫工作
SiC在物理特性上擁有高度穩定的晶體結構，其能帶寬度可達2.2eV至3.3eV，幾乎是Si材料的兩倍以上。因此，SiC所能承受的溫度更高，一般而言，SiC器件所能達到的最大工作溫度可到600 oC。
2) 高阻斷電壓
與Si材料相比，SiC的擊穿場強是Si的十倍多，因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。
3) 低損耗
一般而言，半導體器件的導通損耗與其擊穿場強成反比，故在相似的功率等級下，SiC器件的導通損耗比Si器件小很多。且SiC器件導通損耗對溫度的依存度很小，SiC器件的導通損耗 隨溫度的變化很小，這與傳統的Si器件也有很大差別。
4) 開關速度快
SiC的熱導系數幾乎是Si材料的2.5倍，飽和電子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的頻率下工作。
綜合以上優點，在相同的功率等級下，設備中功率器件的數量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小，同時效率也有大幅度的提升。
在碳化硅mosfet的開發與應用方面，與相同功率等級的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導通電阻、開關損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩定性。
1、碳化硅(SiC)MOSFET 建模
雖然碳化硅mosfet比傳統的Si MOSFET有很多優點，但其昂貴的價格卻限制了SiC MOSFET的廣泛應用。近年來隨著SiC技術的成熟，SiC MOSFET的價格已經有了顯著的下降，應用范圍也進一步擴展，在不久的將來必將成為新一代主流的低損耗功率器件。 在實際的工程應用及設計開發過程中，經常需要對SiC MOSFET的開關特性、靜態特性及功率損耗進行分析，以便對整個系統的效率做有效的評估。因此，有必要建立一個精確的SiC MOSFET模型作為工程應用中系統分析和效率評估的基礎。
2、碳化硅mosfet的驅動
由于SiC MOSFET器件特性與傳統的Si MOSFET有較大差別，SiC MOSFET驅動電路也是一項研究的重點。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生電容更小。
綜上所述，結合SiC MOSFET本身的特點及優勢，其驅動電路的設計應滿足以下要求：
1) 滿足SiC MOSFET高速開關的要求，使用驅動能力較強的驅動芯片。
2) 盡量減小驅動電路寄生電感的影響，在PCB布局時應加入適量的吸收電容。
3) 為保證SiC MOSFET的可靠關斷，避免噪聲干擾可能導致的誤開通，應采用負壓關斷。
3、雙有源橋(DAB)研究及應用
雙有源橋(DAB)作為大功率隔離雙向DC-DC變換器的一種，其拓撲最早由DeDoncker于1988年提出DAB主要應用于HEV中蓄電池側與高壓直流母線之間的雙向能量傳輸、航空電源系統及新能源系統中，與其他大功率隔離雙向DC-DC變換器相比，DAB的最大優勢是其功率密度大，且體積重量相對較小。
DAB結構對稱，兩邊各由全橋結構的拓撲構成，可實現能量的雙向傳輸，且能實現兩側的電氣隔離。開關管應力較低，且沒有額外的濾波電感，僅通過變壓器的漏感作為能量傳輸單元，變換器可實現很高的功率密度。電流紋波不是很大，對輸入輸出側的濾波電容的要求不是很高。DAB在一定功率范圍內可以實現ZVS軟開關，這樣DAB的工作頻率就可以設置得較高，可進一步減小變壓器和濾波電容的體積，提高功率密度。
傳統的DAB一般采用移相控制，其中φ為移相角，變壓器原副邊匝比設為n。當功率從VL流向VH時，開關管Q1、Q4超前Q5、Q8；當功率從VH流向VL時，開關管Q5、Q8超前Q1、Q4。但傳統控制策略下的DAB有諸多問題，比如軟開關范圍窄、輕載時功率回流現象嚴重、電壓輸入范圍窄等。
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