得益于出色的物理和电子特性,基于 SiC 的功率器件正在推动电力电子设备的彻底变革。尽管这种材料早已为人所知,但它作为半导体的使用相对较新,这在很大程度上是由于大型和高质量晶片的可用性。近几十年来,人们的努力集中在开发特定且独特的高温晶体生长工艺上。尽管 SiC 具有不同的多晶型晶体结构(也称为多型),但 4H-SiC 多型六方晶体结构最适合高功率应用。
在纯碳化硅的形式下,其行为类似于电绝缘体。通过受控添加杂质或掺杂剂,SiC 可以表现得像半导体。P型半导体可以通过掺杂铝、硼或镓来获得,而氮和磷的杂质则产生N型半导体。碳化硅在某些条件下具有导电能力,但在其他条件下不能导电,这取决于红外辐射、可见光和紫外线的电压或强度等因素。与其他材料不同,碳化硅能够在很宽的范围内控制器件制造所需的 P 型和 N 型区域。由于这些原因,碳化硅是一种适用于功率器件的材料,能够克服硅的局限性。
SiC MOSFET 与其硅对应物一样,具有内部体二极管。体二极管提供的主要限制之一是不希望的反向恢复行为,当二极管关断同时承载正正向电流时会发生这种情况。因此,反向恢复时间 (trr) 成为定义 MOSFET 特性的重要指标。图 2 显示了 1000V 基于 Si 的 MOSFET 和基于 SiC 的 MOSFET 的 trr 之间的比较。可以看出,SiC MOSFET的体二极管非常快:trr和Irr的值小到可以忽略不计,能量损失Err大大降低。
(反向恢复时间对比)
为什么软关断对于短路保护很重要?
SiC MOSFET 的另一个重要参数是短路耐受时间 (SCWT)。由于 SiC MOSFET 占据的芯片面积非常小且具有高电流密度,因此它们承受可能导致热断裂的短路的能力往往低于硅基器件。例如,对于采用 TO247 封装的 1.2kV MOSFET,在 Vdd=700V 和 Vgs=18V 时的短路耐受时间约为 8-10 μs。随着 Vgs 减小,饱和电流减小,耐受时间增加。随着 Vdd 的降低,产生的热量越少,耐受时间越长。由于关断 SiC MOSFET 所需的时间极短,当关断率 Vgs 较高时,高 dI/dt 会导致严重的电压尖峰。因此,应使用软关断来逐渐降低栅极电压,避免出现过压峰值。
为什么隔离式栅极驱动器是更好的选择?
许多电子设备都是低压电路和高压电路,彼此互连以执行控制和供电功能。例如,牵引逆变器通常包括低压初级侧(电源、通信和控制电路)和次级侧(高压电路、电机、功率级和辅助电路)。位于初级侧的控制器通常使用来自高压侧的反馈信号,如果不存在隔离屏障,则很容易受到损坏。隔离屏障将电路从初级侧电隔离到次级侧,形成单独的接地参考,实现所谓的电流隔离。这可以防止不需要的 AC 或 DC 信号从一侧传输到另一侧,从而损坏电源组件。