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超共源共柵簡史

發布時間:2023-04-24 來源:Qorvo 責任編輯:wenwei

【導讀】盡管寬帶隙半導體已在功率開關應用中略有小成,但在由 IGBT 占主導的高電壓/高功率領域仍未有建樹。然而,使用 SiC FET 的 “超共源共柵” 將打破現有局面。讓我們一起來了解超共源共柵的歷史,并探討如何將其重新用于優化現代設計。


這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發布,該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商,它的加入促使 Qorvo 將業務擴展到電動汽車 (EV)、工業電源、電路保護、可再生能源和數據中心電源等快速增長的市場。


電動汽車快速充電器和可再生能源的未來


上了年紀的設計師在看到 “超共源共柵” 一詞時,可能會聯想到 Admiral 的 24 英寸 30 系列電視機。該系列號稱 “機箱采用超共源共柵結構,配有額外的真空管,可提供出色的功率和零干擾接收性能,同時還內置了全向天線”。甚至有一個帶電線的遙控器。如今,超共源共柵另有含義。從 1939 年的管式穩壓器,到早期的音頻放大器,再到高電壓應用中的雙極晶體管堆棧,我們可以了解到這個詞的起源。目前我們尚不清楚電視機箱描述中的 “超” 一詞是否只是 “非常棒” 的意思,但是對額外真空管的描述似乎暗示了現在常說的超共源共柵的早期布局,也就是由一個硅 MOSFET 控制的 SiC 半導體開關堆棧。


那么,此概念是如何重現于視野的呢?開關式電源和逆變器是現代功率轉換的常用工具,根據功率和電壓電平的不同,其各自使用的半導體類型不盡相同。IGBT 是一種成熟的低成本解決方案,但僅在低頻下開關時才能保持低損耗,同時還需要使用大型且昂貴的相關磁性組件。Si-MOSFET 可在更高頻率下使用,但如果不借助高成本的專用組件,電壓將會限制在 1000V 左右。此外在高功率、高電壓時,Si-MOSFET 的導通電阻較高、效率較低,同時導電損耗顯著,而且在能量回收水平較高時,其體二極管的用處不大。這里給出的解決方案,在外部并聯二極管以實現 “第三象限” 操作,同時使用額外的低壓阻斷肖特基二極管來阻止電流流向 MOSFET 體二極管,但這會進一步增加成本,提高導電損耗。并聯 MOSFET 可解決導電損耗問題,但這會使動態損耗更高,讓電流監測變復雜,且額定電壓仍會受限。


SiC 半導體固有的高電壓特性使其成為更優解決方案,但用作 SiC MOSFET 的體二極管性能較差,需搭配精心設計的柵極驅動才能實現高效運行。此時,“共源共柵” 或 “SiC FET” 進入了人們的視野,通過結合 Si-MOSFET 與常開 SiC JFET,就可以得到一個常閉快速混合開關。其體二極管具有低傳導損耗、低損耗的特點,采用簡單的非臨界柵極驅動。


SiC FET 是邁向理想開關的重大進步。UnitedSiC 現提供額定電壓高達 1700V 的 SiC FET 產品,但在更高電壓的應用中,IGBT 似乎仍是唯一可行的解決方案。不過,共源共柵或 SiC FET 的實踐歷史非常豐富,使用數個 SiC JFET 堆棧(而不是單個器件)配置的 “超共源共柵” 可實現更高的額定電壓。如圖所示。


電路中的無源組件尺寸小巧,可用于偏置和平衡串聯的JFET (J1-J5) 兩端的電壓,而 Si-MOSFET M1 則是具有標準柵極驅動的低壓型組件。為實現更高的額定電壓,我們可以將更多的 SiC JFET 器件或完整的超共源共柵模塊堆疊在一起。UnitedSiC 展示的一個 40kV/1A 開關模塊為我們提供了示例,該模塊共使用了 30 個額定電壓值為 1700V 的 SiC JFET 晶粒,最后測得組合導通電阻僅為 30 歐姆。


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圖:使用 5 個 SiC JFET 實現額定電壓約為 5kV 的 SiC FET “超共源共柵” 


超共源共柵解決方案的一個好處在于,電流監測變得簡單了。借助用隔離元件構建的單個 Si-MOSFET,我們通常能以 1:1000 的感測比例監測電流狀況。去飽和檢測也變得更加簡單,因為我們可以監測 Si-MOSFET 的漏級,其電壓在導通或阻斷狀態下通常僅為幾伏特。


該技術的最大優勢或許是能夠在堆棧中使用標準現成部件。這些部件均經過實際驗證且成本較低,在考慮不同高頻開關的系統優勢時,其整體成本比并聯 MOSFET 甚至 IGBT 都更低。由此,最終產品開發時間得以縮短,風險也得以降低。


超共源共柵的損耗非常低,是未來高功率、高頻率開關應用的理想選擇,將會應用于電動汽車快速充電器、牽引逆變器、可再生能源等領域。相關組件將采用標準模塊封裝,不過我猜應該不會像 Admiral 電視那樣采用楓木、胡桃木或紅木色調。


來源:Qorvo Power ,作者:UnitedSiC現Qorvo



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