碳化硅MOSFET

　　基于硅 （Si） 的電力電子產(chǎn)品長期以來一直主導(dǎo)著電力電子行業(yè)。由于其重要的優(yōu)勢,，碳化硅（SiC）近年來在市場上獲得了很大的空間,。隨著新材料的應(yīng)用，電子開關(guān)的靜態(tài)和動態(tài)電氣特性得到了顯著改善,。理想的開關(guān)具有以下特點：

　　· 具有無限切換速度,；

　　· 可以通過大電流而沒有電壓降,；

　　· 可以處理高壓,；

　　· 其電流通過通道（通常為DS）電阻為零,；

　　· 它不會在兩個邏輯狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換中造成能量損失。

　　硅不能提供卓越的性能,，用這種材料制成的設(shè)備不會表現(xiàn)出高效率,。碳化硅MOSFET結(jié)合了幾乎理想開關(guān)的所有特性，讓您可以使用性能非常高的設(shè)備進(jìn)行操作,。它的主要優(yōu)點包括提高效率和可靠性,、減少熱問題以及減少物理占用空間。由于開關(guān)損耗降低,，最終系統(tǒng)可以在較低溫度下工作,，從而實現(xiàn)更輕、更經(jīng)濟的電路,，因為 SiC 的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于硅的熱導(dǎo)率,。換言之，一個低功率的 SiC 系統(tǒng)可以替代一個具有相同性能的高功率硅系統(tǒng),。此外,，開關(guān)頻率可以顯著提高，從而可以大大減小電路的尺寸,。SiC 器件可以在 175°C 的溫度下工作,。SiC Mosfet 的特性不會因溫度和電流而變化很大（然而，碰巧的是,，與硅）,。由于所有這些優(yōu)勢，SiC Mosfet 可用于各種應(yīng)用：

　　預(yù)計使用高壓直流電的能量傳輸,；

　　電動汽車,，驅(qū)動電動汽車發(fā)動機和電池充電電路；

　　鐵路部門,，用于驅(qū)動功率為數(shù)百萬瓦的電機,；

　　光伏領(lǐng)域：用于驅(qū)動負(fù)載和為蓄電池充電。

　　通過 PWM 信號激活和停用 SiC MOSFET 的典型用途,。使用的 SiC MOSFET 為 UF3C065080T3S 型號,，具有以下基本特性：

　　· 封裝：TO-220-3L;

　　· 漏源電壓（VDS）：650 V;

　　· 柵源電壓 （VGS）：-25° C 至 +25° C;

　　· 連續(xù)漏極電流 （ID）：31 A;

　　· 脈沖漏極電流 （IDM）：65 A;

　　· 功耗（Ptot）：190 W;

　　· 最高結(jié)溫 （Tjmax）：175° C。

　　該示例將其與 BJT 功率晶體管進(jìn)行比較,。當(dāng)兩個電子開關(guān)被激活時,，大約 4.8 A 的電流通過負(fù)載。驅(qū)動頻率相當(dāng)高,，約為 100 kHz,。有趣的是,，在每個信號周期，SiC MOSFET 的激活僅發(fā)生在 30 納秒內(nèi),，而 BJT 的飽和發(fā)生在大約 500 納秒內(nèi),，這對于此類應(yīng)用來說是不可接受的時間。正是由于這個原因,，BJT 在高頻電源解決方案中被拋棄了,。該器件的高速允許其低功耗。事實上,，采用 SiC MOSFET 的解決方案平均耗散 1 瓦的功率,，而采用 BJT 的解決方案平均耗散 12 瓦的功率。

　　GaN MOSFET

　　氮化鎵是一種具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料,，其最重要的特性是能夠在高溫下處理非常高的電壓,。這些類型的器件可確保在開關(guān)應(yīng)用中實現(xiàn)更高的效率和更少的開關(guān)損耗。氮化鎵提供更好的導(dǎo)熱性,、更高的開關(guān)速度，并允許構(gòu)建比傳統(tǒng)硅器件更小的物理器件,。換句話說,，在充電和放電循環(huán)期間的功率損耗很低，它們占用的 PCB 空間也更少,。使用GaN MOSFET,，它們提高了最終解決方案的能源效率和可靠性。GaN 組件有望從根本上改變電力電子領(lǐng)域,，使用新型半導(dǎo)體材料制成的電子組件的成本和可靠性越來越接近硅組件,。GaN 器件的開啟和關(guān)閉速度比其他類型的電子開關(guān)快得多。事實上,，它的平均開啟時間比傳統(tǒng) MOSFET 短約 4 或 5 倍,。GaN 器件需要一個驅(qū)動器來確保它們完美地開啟和關(guān)閉。要導(dǎo)引 GaN 器件,，始終建議為柵極端子提供其最大容許電壓,。這樣一來，ON狀態(tài)就一目了然了,。采用 GaN 器件的一個重要優(yōu)勢是顯著降低 Rds （on）,，或器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時的內(nèi)阻。此外,，與硅相比,，大帶隙提高了在更高溫度下的性能，以至于近年來使用 GaN MOSFET 的應(yīng)用數(shù)量呈指數(shù)級增長,。以下示例涉及 EPC2032 模型,，該樣本配備了一些允許焊接的突起并具有非常相關(guān)的特性,，包括：

　　· 漏源電壓（VDS，連續(xù)）：100 V;

　　· 漏極到源極電壓（在 150?C 時高達(dá) 10,000 個 5 ms 脈沖）：120 V;

　　· 持續(xù)電流 （ID）：48 A;

　　· 脈沖電流：340 A;

　　· 漏源導(dǎo)通電阻 （Rds （on） ）：3 毫歐,；

　　· 柵源電壓 （VGS）：-4 V 至 6 V;

　　· 非常高的開關(guān)頻率,；

　　· 工作溫度 （TJ）：-40° C 至 +150° C。

　　第一個觀察結(jié)果涉及根據(jù)圖 4 的靜態(tài)狀態(tài)下的應(yīng)用方案確定器件的 Rds （on）,。在靜態(tài)狀態(tài)下,，該電阻極低（僅 0.002853 歐姆）并且允許幾乎零耗散在示例中，電子開關(guān)僅等于 1.29 W,，相對于 1997 W 的負(fù)載,，等效效率為 99.94%。

　　溫度總是會影響任何電子元件,。幸運的是,，GaN 器件受熱變化的影響不大，雖然 Rds 相對可變,，但電路的效率始終很高,。圖中的兩張圖分別顯示了 Rds 參數(shù)隨電壓 Vgs和結(jié)溫變化的趨勢。Rds （on）的溫度系數(shù)為正,，即隨溫度升高而增加,。

　　結(jié)論

　　在本文中，我們非常廣泛地研究了電力電子的一些重要部分,。市場上還有其他組件結(jié)合了先前所見的優(yōu)點并消除了它們的一些負(fù)面影響,。其中我們可以包括例如 GTO 和 GCT，它們是可以承受許多 kV 電壓和幾 kA 電流的特殊晶閘管,。它們可以通過門終端打開和關(guān)閉,。具有大帶隙的材料，例如GaN 和 SiC,，現(xiàn)在可以降低設(shè)計成本,，同時減小電源解決方案的尺寸。材料的帶隙取決于其原子之間化學(xué)鍵的強度,。而新材料使設(shè)計人員能夠從各個角度在系統(tǒng)性能方面取得非常重要的成果,。

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