电力电子课程：第 8 部分 - 功率元件碳化硅和GaN

碳化硅MOSFET

基于硅 (Si) 的电力电子产品长期以来一直主导着电力电子行业。由于其重要的优势，碳化硅(SiC)近年来在市场上获得了很大的空间。随着新材料的应用，电子开关的静态和动态电气特性得到了显着改善。理想的开关具有以下特点：

· 具有无限切换速度;

· 可以通过大电流而没有电压降;

· 可以处理高压;

· 其电流通过通道(通常为DS)电阻为零;

· 它不会在两个逻辑状态之间的转换中造成能量损失。

硅不能提供卓越的性能，用这种材料制成的设备不会表现出高效率。碳化硅MOSFET结合了几乎理想开关的所有特性，让您可以使用性能非常高的设备进行操作。它的主要优点包括提高效率和可靠性、减少热问题以及减少物理占用空间。由于开关损耗降低，最终系统可以在较低温度下工作，从而实现更轻、更经济的电路，因为 SiC 的热导率远大于硅的热导率。换言之，一个低功率的 SiC 系统可以替代一个具有相同性能的高功率硅系统。此外，开关频率可以显着提高，从而可以大大减小电路的尺寸。SiC 器件可以在 175°C 的温度下工作。SiC Mosfet 的特性不会因温度和电流而变化很大(然而，碰巧的是，与硅)。由于所有这些优势，SiC Mosfet 可用于各种应用：

预计使用高压直流电的能量传输;

电动汽车，驱动电动汽车发动机和电池充电电路;

铁路部门，用于驱动功率为数百万瓦的电机;

光伏领域：用于驱动负载和为蓄电池充电。

通过 PWM 信号激活和停用 SiC MOSFET 的典型用途。使用的 SiC MOSFET 为 UF3C065080T3S 型号，具有以下基本特性：

· 封装：TO-220-3L;

· 漏源电压(VDS)：650 V;

· 栅源电压 (VGS)：-25° C 至 +25° C;

· 连续漏极电流 (ID)：31 A;

· 脉冲漏极电流 (IDM)：65 A;

· 功耗(Ptot)：190 W;

· 最高结温 (Tjmax)：175° C。

该示例将其与 BJT 功率晶体管进行比较。当两个电子开关被激活时，大约 4.8 A 的电流通过负载。驱动频率相当高，约为 100 kHz。有趣的是，在每个信号周期，SiC MOSFET 的激活仅发生在 30 纳秒内，而 BJT 的饱和发生在大约 500 纳秒内，这对于此类应用来说是不可接受的时间。正是由于这个原因，BJT 在高频电源解决方案中被抛弃了。该器件的高速允许其低功耗。事实上，采用 SiC MOSFET 的解决方案平均耗散 1 瓦的功率，而采用 BJT 的解决方案平均耗散 12 瓦的功率。

GaN MOSFET

氮化镓是一种具有直接带隙的半导体材料，其最重要的特性是能够在高温下处理非常高的电压。这些类型的器件可确保在开关应用中实现更高的效率和更少的开关损耗。氮化镓提供更好的导热性、更高的开关速度，并允许构建比传统硅器件更小的物理器件。换句话说，在充电和放电循环期间的功率损耗很低，它们占用的 PCB 空间也更少。使用GaN MOSFET，它们提高了最终解决方案的能源效率和可靠性。GaN 组件有望从根本上改变电力电子领域，使用新型半导体材料制成的电子组件的成本和可靠性越来越接近硅组件。GaN 器件的开启和关闭速度比其他类型的电子开关快得多。事实上，它的平均开启时间比传统 MOSFET 短约 4 或 5 倍。GaN 器件需要一个驱动器来确保它们完美地开启和关闭。要导引 GaN 器件，始终建议为栅极端子提供其最大容许电压。这样一来，ON状态就一目了然了。采用 GaN 器件的一个重要优势是显着降低 Rds (on)，或器件处于导通状态时的内阻。此外，与硅相比，大带隙提高了在更高温度下的性能，以至于近年来使用 GaN MOSFET 的应用数量呈指数级增长。以下示例涉及 EPC2032 模型，该样本配备了一些允许焊接的突起并具有非常相关的特性，包括：

· 漏源电压(VDS，连续)：100 V;

· 漏极到源极电压(在 150˚C 时高达 10,000 个 5 ms 脉冲)：120 V;

· 持续电流 (ID)：48 A;

· 脉冲电流：340 A;

· 漏源导通电阻 (Rds (on) )：3 毫欧;

· 栅源电压 (VGS)：-4 V 至 6 V;

· 非常高的开关频率;

· 工作温度 (TJ)：-40° C 至 +150° C。

第一个观察结果涉及根据图 4 的静态状态下的应用方案确定器件的 Rds (on)。在静态状态下，该电阻极低(仅 0.002853 欧姆)并且允许几乎零耗散在示例中，电子开关仅等于 1.29 W，相对于 1997 W 的负载，等效效率为 99.94%。

温度总是会影响任何电子元件。幸运的是，GaN 器件受热变化的影响不大，虽然 Rds 相对可变，但电路的效率始终很高。图中的两张图分别显示了 Rds 参数随电压 Vgs和结温变化的趋势。Rds (on)的温度系数为正，即随温度升高而增加。

结论

在本文中，我们非常广泛地研究了电力电子的一些重要部分。市场上还有其他组件结合了先前所见的优点并消除了它们的一些负面影响。其中我们可以包括例如 GTO 和 GCT，它们是可以承受许多 kV 电压和几 kA 电流的特殊晶闸管。它们可以通过门终端打开和关闭。具有大带隙的材料，例如GaN 和 SiC，现在可以降低设计成本，同时减小电源解决方案的尺寸。材料的带隙取决于其原子之间化学键的强度。而新材料使设计人员能够从各个角度在系统性能方面取得非常重要的成果。