1、應(yīng)用增強(qiáng)型碳化硅結(jié)型晶體管的功率因數(shù)校正技術(shù)Robin Kelley1,2, Michael Mazzola1, Shane Morrison2, Igor Sankin2,David Sheridan2, and Jeff Casady2密西西比州立大學(xué)車輛系統(tǒng)研究中心E-mail: 目錄目錄l碳化硅開關(guān)器件的選擇問題l三端（無共源共柵結(jié)構(gòu)放大器）增強(qiáng)型（常關(guān)）碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管l在采用標(biāo)準(zhǔn)PWM芯片或MOSFET驅(qū)動器的場合采用插入式替換設(shè)計l在商用PFC評估板上測得的實驗結(jié)果l門極驅(qū)動電壓范圍的減小，這是致命的弱點嗎？碳化硅開關(guān)器件的選擇碳

2、化硅開關(guān)器件的選擇-優(yōu)缺點對比優(yōu)缺點對比1200V 碳化硅碳化硅DMOSFET1200V 碳化硅結(jié)型晶體管碳化硅結(jié)型晶體管優(yōu)點：常關(guān)比一般的硅MOSFET的Rds(on)小得多（大約為1/5-1/10）比一般的硅MOSFET的Rds(on)Qg稍小較高的結(jié)溫插入式替換-可插入現(xiàn)有插口中缺點：碳化硅MOSFET 的穩(wěn)定性碳化硅PN體二極管的穩(wěn)定性成本為3美元優(yōu)點：常關(guān)比硅MOSFET損耗低結(jié)溫高缺點：碳化硅基射極的穩(wěn)定性低電流增益可替換插口？成本為3美元碳化硅開關(guān)管的選擇碳化硅開關(guān)管的選擇-優(yōu)缺點對比優(yōu)缺點對比1200V 碳化硅DM 橫向?qū)щ娦蛨鲂?yīng)晶體管優(yōu)點：比硅MOSFET的導(dǎo)通電阻低得多（

3、1/101/20）比硅MOSFET的Qg低得多結(jié)溫較高缺點：常開無可替換插口（W/O 共源共柵結(jié)構(gòu)硅MOSFET）碳化硅體二極管的穩(wěn)定性成本2美元/共源共柵結(jié)構(gòu)成本為3美元1200V 碳化硅EM 垂直導(dǎo)電型場效應(yīng)晶體管優(yōu)點：常關(guān)比硅MOSFET的導(dǎo)通電阻低得多（1/201/30）比硅MOSFET的Qg低得多結(jié)溫較高無體二極管插入式可替換結(jié)構(gòu)-可插入現(xiàn)有插口中缺點：門極驅(qū)動電壓波動成本為1美元/ IDSS 誤差放大器成本為2美元功率半導(dǎo)體公司公認(rèn)本文的重點在商用封裝中的應(yīng)用范圍近三個月來，由Semisouth或CAVS公司封裝的碳化硅垂直導(dǎo)電型結(jié)型晶體管的應(yīng)用實例單體 額定電壓1200V 封裝T

4、O247l雪崩擊穿電壓1500Vl0.1歐導(dǎo)通電阻lIDSS為40A多體 額定電壓600V 固態(tài)功率控制器l在斬波電路中采用SBDl增強(qiáng)模式l0.015歐導(dǎo)通電阻lIDSS為150A多體 額定電壓600V 半橋功率模塊l在反并聯(lián)結(jié)構(gòu)中采用SBDl帶門極驅(qū)動電路l0.003歐導(dǎo)通電阻lIDSS大于600A高頻交流環(huán)節(jié)矩陣變換器蓄電池電動汽車中永磁電機(jī)驅(qū)動電路飛機(jī)或汽車用能量管理或分配系統(tǒng)帶碳化硅帶碳化硅P-N 結(jié)的單極性器件結(jié)的單極性器件開關(guān)速度高易于并聯(lián)無雙極性退化/門極氧化問題高的擊穿值/雪崩限制值垂直導(dǎo)電溝道垂直導(dǎo)電溝道高的溝道填充密度/高的電子遷移率（對C-軸）由布局限制了門限電壓簡單的

5、自對準(zhǔn)工藝-低成本更多門極面積可延伸至漏極：Coss取決于密勒電容兩種不同的功率結(jié)型晶體管的剖面圖(a)LC/V (b)VC/V碳化硅單極性功率開關(guān)管：結(jié)型晶體管 600 V 1200 V, 20 A 50 A 4H-碳化硅功率結(jié)型晶體管碳化硅單極性功率開關(guān)管：結(jié)型晶體管 :600 V 1200 V 4H-SiC E-mode Power VJFET在RT 和200C時測得的漏極電流-電壓曲線族800V和1800V常關(guān)型V結(jié)型晶體管模塊參數(shù)常關(guān)型碳化硅V結(jié)型晶體管模塊碳化硅VJ結(jié)型晶體管的選擇由電介質(zhì)限制的截止電壓為VGS=0V+1.25V 門檻電壓在TO257金屬盒封裝的單個器件 Rds(o

6、n) = 80 m T = 25C IDSS = 18 A IG(leakage) = 8 mA VGS = 2.5 V 雙極性模式可忽略（最小空穴注入法） 高效的電流轉(zhuǎn)移比200更多信息請查詢： 門極驅(qū)動電平移動典型的COTS MOSFET控制器/驅(qū)動IC單電源供電VCC = 15 V.直流耦合，1-5A源或負(fù)載按照EM V結(jié)型晶體管的需要做的相應(yīng)改動和BJT-驅(qū)動電路一樣，需要加入限流電阻和并聯(lián)旁路電容為保證了門極的絕緣性能，將電流轉(zhuǎn)移比變得很高基極驅(qū)動的選取 RC的設(shè)計要求：為減小Rds(on)， IDSS的值最大，選擇VGS = +2.5V在VGS = +2.5V 和VGG = 15

7、V情況下，電阻值的選取必須限制正向門極電流電容器的尺寸要大于Ciss 最初選擇的Cg 應(yīng)該為開關(guān)器件輸入電容的十倍，并且為保證最佳性能Cg應(yīng)該是可調(diào)的。 Rg = (VGG VGS ) / IG“插入式”演示板的說明 由Fairchild 公司半導(dǎo)體生產(chǎn)的FEB-109評估板 300瓦離線式連續(xù)模式功率因數(shù)校正的開關(guān)模式電源 ML4821 功率因數(shù)校正控制器（平均電流模式） 100kHzBoost 的IGBTBoost 的二極管PFC 的控制器整流器FEB-109 評估板的電路圖 PFC 演示板的參數(shù): VIN : 85 265 VAC VOUT :400 V POUT :300 W fs :

8、 100 kHz主功率開關(guān)器件：600V / 34A的 IGBT將原有電路中的續(xù)流二極管更換為碳化硅SBD-為了作對比分析精細(xì)功率分析儀（ YokagawaPZ4000 ）-用于精確調(diào)節(jié)測定基準(zhǔn)電路的系統(tǒng)效率IGBT 的開關(guān)波形Vin-整流后的輸入電壓（紫色，100V/格）VOUT-輸出電壓（綠色，200V/格）VDS-IGBT 集-射極電壓（藍(lán)色， 200V/格）VGE-門-射極電壓（褐色， 20V/格）PFC 電路的參考標(biāo)準(zhǔn)PFC電路的參考標(biāo)準(zhǔn) 功率分析儀用于評估整個輸入電壓和負(fù)載范圍的系統(tǒng)效率在FEB-109評估板上所做的修改1.代替 w/ SiC SBD2.用 碳化硅JFET代替3.改

9、變電阻值4.加入電容采用碳化硅SBD和JFET 的演示板碳化硅SBDEM碳化硅JFETPFC演示板的PCB板采用EM碳化硅結(jié)型晶體管的工作波形 啟動前，器件截止電壓為VGS = 0 V 啟動后， RC 門極驅(qū)動電平將由驅(qū)動器IC的輸出轉(zhuǎn)換為JFET 門極期望的偏置電壓。 在門極驅(qū)動器中加入旁路電容是用來將門極信號變負(fù)以加速關(guān)斷采用JFET的效率曲線 在最低輸入電壓時的最大開關(guān)電流 滿載時最高效率 在最低輸入電壓和最大功率時有1.25%的效率提升EM碳化硅結(jié)型晶體管和硅IGBT*漏極電流為紅色方框區(qū)域內(nèi) 由800-V, 11A EM碳化硅結(jié)型晶體管代替600-V, 34-A 硅IGBT在進(jìn)入飽和

10、區(qū)之前先到達(dá)歐姆區(qū)致使導(dǎo)通損耗明顯的減?。?0%）開通速度提高了2.5倍（由FWD的換向速度限制了關(guān)斷速度）器件輸入電壓開通時間關(guān)斷時間dV/dt（導(dǎo)通）dV/dt（關(guān)斷）Sic JFETIGBT240VAC 120VAC240VAC 120VAC32ns 38ns100 80ns170ns 92ns176 103ns9.98V/ns 8.88V/ns 1.88V/ns 3.47V/ns 3.20V/ns 3.99V/ns 1.82V/ns 3.10V/ns 旁路電容器的剩余電荷由電平變化引起的負(fù)向“跳躍”為避免直通，dVDG/dt 24 V/ns 門極驅(qū)動電壓控制在門極驅(qū)動電壓控制在0-2.5V0-2.5V之間會怎么樣？之間會怎么樣？SiC JFET 漏極電壓SiC JFET 門極電壓 PWM 控制器輸出 結(jié)論 請不要說“但是結(jié)型晶體管是常開型器件”他們不一定采用碳化硅。 請詢問生產(chǎn)碳化硅開關(guān)器件的廠家有關(guān)常關(guān)型碳化硅結(jié)型