碳化硅(SiC)在電力電子產(chǎn)品中的應(yīng)用正在加速增長-國晶微半導(dǎo)體

    碳化硅（SiC）在電力電子產(chǎn)品中的應(yīng)用正在加速增長，因?yàn)榕c硅相比，碳化硅可以降低功率和開關(guān)損耗以及更緊湊的外形尺寸，而價(jià)格的下降使其成為電力半導(dǎo)體開發(fā)商越來越有吸引力的選擇。

    在電力電子技術(shù)中，要求在更高的電壓下具有更高的開關(guān)性能?？臻g要求、重量和效率在選擇工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電和電動(dòng)汽車等應(yīng)用部件時(shí)也起著關(guān)鍵作用。其目的是最小化成本和工作量，同時(shí)**限度地提高應(yīng)用程序的質(zhì)量。

    雖然硅（Si）二極管通常是這里選擇的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但基于SiC的元件具有顯著的優(yōu)勢，尤其是在電壓為600V以上時(shí)。由于電路應(yīng)用中的高性能元件總是與脈沖電流一起使用，它們還需要考慮開關(guān)損耗以及反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的電磁干擾。

    開關(guān)和正向電壓損失

    開關(guān)損耗是在每個(gè)開關(guān)過程中產(chǎn)生的，例如在開關(guān)元件時(shí)。隨著開關(guān)頻率的增加，相應(yīng)的損耗也隨之增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的整體功率損耗。這就是為什么，當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，系統(tǒng)的總功率損耗很大一部分是由于這個(gè)原因造成的。如果在這些應(yīng)用中使用硅元件，則高功率損耗和由此產(chǎn)生的熱量要求限制負(fù)載電流或?qū)嵤┌嘿F的冷卻。

    就網(wǎng)絡(luò)頻率而言，正向電壓損耗起著更大的作用，而當(dāng)開關(guān)頻率從幾個(gè)100Hz以上時(shí)，由此產(chǎn)生的開關(guān)損耗占主導(dǎo)地位。

    在反向電壓非常高的情況下，反向電壓損耗也起到了一定的作用——特別是在高溫下。SiC肖特基二極管在這些情況下是理想的，因?yàn)樗鼈兲峁┓浅５偷姆聪蚧謴?fù)電流和較短的反向恢復(fù)時(shí)間，這使得它們能夠大大減少相關(guān)的能量損失。

    二極管的功率損耗隨著正向偏置電流的增加而增加，而反向偏置電流則保持不變。這就是為什么在低輸出電流的情況下，升壓電路中SiC肖特基二極管的漏電流IR占總損耗的比例不小。另一方面，在大電流下，正向電壓UF是主要因素。由于肖特基二極管大部分時(shí)間都在反向偏置工作，反向恢復(fù)電流對(duì)二極管的功率損耗有很大影響，因此僅僅保持二極管的正向電壓盡可能低是不夠的。把IR和UF放在一起考慮，并評(píng)估它們對(duì)二極管總損耗的貢獻(xiàn)，更有意義。

    升壓電路的輸出電壓越高，開關(guān)時(shí)間越長，肖特基二極管保持反向偏置的時(shí)間越長。用肖特基二極管降低正向電壓會(huì)增加剩余反向電流，因此有必要尋找理想的二極管。

    因此，在選擇二極管時(shí)，必須盡量減小正向電壓損耗、開關(guān)損耗和電荷，同時(shí)也要**限度地提高擊穿電壓和軟換相。為了確保良好的能源效率，考慮總功率損耗而不是單個(gè)模塊參數(shù)通常是肖特基二極管更合理的方法。

    由于SiC肖特基二極管具有較低的開關(guān)損耗，并且在關(guān)斷二極管時(shí)沒有反向電流尖峰，因此其效率遠(yuǎn)高于Si二極管。無線電干擾相應(yīng)地被減少，并且系統(tǒng)的電磁行為作為一個(gè)整體被改進(jìn)。

    工作溫度和熱設(shè)計(jì)

    熱設(shè)計(jì)在電力電子系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，以確保高功率密度，從而使生產(chǎn)更緊湊的系統(tǒng)。在高電流下，碳化硅肖特基二極管容易產(chǎn)生過多的熱輸出。高熱級(jí)和高泄漏電流（IR）的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致封裝和環(huán)境溫度的升高。因此，不當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生無法散發(fā)的熱量。這種情況的一個(gè)可能結(jié)果是“熱失控”，這是一種極快的熱量積聚，可能損壞部件，甚至可能損壞整個(gè)系統(tǒng)。

    SiC肖特基二極管與Si肖特基二極管的溫度關(guān)系有很大的不同。碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎是硅的三倍，這使得碳化硅非常適合更高的工作溫度。當(dāng)操作SiC功率半導(dǎo)體時(shí)，更少的熱損失也需要更高的效率和更小的散熱器，這降低了應(yīng)用的空間要求和重量。

    當(dāng)正向電壓Vf隨高溫下的工作電阻增加時(shí)，這有助于防止熱失控，使SiC肖特基二極管也能并聯(lián)。由于它們的正溫度系數(shù)，它們也比硅二極管更適用于高壓并聯(lián)電路。

    功率因數(shù)校正

    歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2規(guī)定了用于向公眾出售并具有有功功率的裝置的電源電流諧波含量限值。它還定義了超過75W時(shí)的限制和例外。在實(shí)踐中，這意味著在許多情況下，基本AC/DC轉(zhuǎn)換不允許使用帶后續(xù)濾波的橋式整流器，因?yàn)樵谶@種情況下，電源電流是脈沖的，并且表現(xiàn)出更高的諧波含量。一個(gè)被稱為“功率因數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)器”或“功率因數(shù)校正器”（PFC）的助推器被用來保持大致的正弦曲線。

    CCM-PFC控制器（連續(xù)傳導(dǎo)模式）是高性能PSU的首選有源拓?fù)?。這種設(shè)計(jì)對(duì)反激二極管提出以下要求：

    低反向恢復(fù)時(shí)間/電荷（trr/Qrr），以降低MOSFET的導(dǎo)通損耗和二極管的開關(guān)損耗。

    低正向電壓Vf，以減少傳導(dǎo)損耗和

    減少電磁輻射（EMI）的軟反向恢復(fù)曲線。

    因此，SiC肖特基二極管是這種情況下的理想解決方案。

    每個(gè)應(yīng)用的**二極管

    硅二極管是低壓應(yīng)用的首選。另一方面，在600V～1200V高壓應(yīng)用中，SiC二極管具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，成本較高。在200-600V范圍內(nèi)，開關(guān)頻率和電流是關(guān)鍵因素。在各種應(yīng)用中，包括在電動(dòng)汽車充電站和車載充電器（OBC）、電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛的功率轉(zhuǎn)換器、開關(guān)模式電源單元和PFC電路中，SiC二極管作為電感和MOSFET/IGBTs的反激二極管，以及太陽能和風(fēng)力DC/AC轉(zhuǎn)換器中的逆變器。

    肖特基整流二極管STPSC10H12與碳化硅襯底提供了低正向電壓和額定電壓1200V，因?yàn)椴牧系拇髱?。由于肖特基設(shè)計(jì)，它在關(guān)斷時(shí)沒有反向恢復(fù)時(shí)間，振蕩趨勢可以忽略不計(jì)。它們的最小電容性開關(guān)特性與溫度無關(guān)。SiC二極管STPSC10H12特別適合于PFC和二次應(yīng)用，在硬開關(guān)條件下提高性能。規(guī)定在-40°C和+175°C之間的連接溫度下操作。還可使用STPSC10H12-Y的形式提供AEC-Q101-合格的汽車版本，該版本還支持PPAP。

    無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

    公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

    公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對(duì)標(biāo)國際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)可靠性測試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，大幅降低開關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動(dòng)汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

    特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開發(fā)了28nm光敏光柵開關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrmsSOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產(chǎn)品，另包括200VSOIMOS/LIGBT集成芯片、100VCMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場及各重點(diǎn)科研單位、檢測機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

    公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項(xiàng)目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項(xiàng)國際、國內(nèi)自主發(fā)明專利。

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