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    東芝級聯共源共柵技術解決GaN應用痛點

    作者:時間:2022-07-18來源:電子產品世界收藏

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    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202207/436344.htm

    受訪人:黃文源  電子元件(上海)有限公司半導體技術統括部技術企劃部高級經理

    1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導體,在材料特性上有什么相似之處和不同之處?根據其不同的特性,分別適用在哪些應用領域?貴公司目前在SiC和兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產品?

      回答:自從半導體產品面世以來,硅一直是半導體世界的代名詞。但是,近些年,隨著化合物半導體的出現,這種情況正在被逐漸改變。通常,半導體業界將硅(Si)作為第一代半導體的代表,將砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)作為第二代半導體的代表,那么,氮化鎵()和碳化硅(SiC)就是典型的第三代半導體的代表了。

      和傳統的Si功率半導體相比,和SiC有著更高的電壓能力、更快的開關速度、更高的工作溫度、更低導通電阻、功率耗散小、能效高等共同的優異的性能,是近幾年來新興的半導體材料。但他們也存在著各自不同的特性,簡單來說,GaN的開關速度比SiC快,SiC工作電壓比GaN更高。GaN的寄生參數極小,極高的開關速度,比較適合高頻應用,例如:電動汽車的DC-DC轉換電路、OBC、低功率開關電源以及蜂窩基站功率放大器、雷達、衛星發射器和通用射頻放大器等;SiC MOSFET的高壓高電流的能力以及易驅動特性,使其適合于大功率且高效的各類應用,例如:列車逆變器系統,工業電源、太陽能逆變器和UPS高性能開關電源等等,可以大大提升效率,功率密度等性能。

      作為SiC和GaN產品的早期研究開發者者之一,擁有自己獨特的SiC和GaN產品技術。

      今年初,推出了兩款全新碳化硅(SiC)MOSFET雙模塊---“MG600Q2YMS3”和“MG400V2YMS3”:前者額定電壓為1200V,額定漏極電流為600A;后者額定電壓為1700V,額定漏極電流為400A。作為東芝首批具有上述額定電壓的產品,它們與之前發布的MG800FXF2YMS3共同組成了1200V、1700V和3300V器件產品線。

      這兩種新模塊在安裝方式上兼容廣泛使用的硅(Si)IGBT模塊。兩種新模塊的低損耗特性滿足了工業設備對提高效率、減小尺寸的需求,適合于軌道車輛的逆變器和轉換器、可再生能源發電系統、電機控制設備、高頻DC-DC轉換器等應用場景

      在這之前,東芝已經推出了1200V SiC MOSFET以及650V碳化硅肖特基勢壘二極管(SiC SBD)等SiC相關產品,至此已擁有了較為豐富的SiC產品系列。

      在GaN方面,今年的1月31日東芝發布了全球首個集成于半橋(HB)模塊的分流式MOS電流傳感器。當其用于氮化鎵(GaN)功率器件等器件時,該傳感器可使電力電子系統具有很高的電流監測精度,但功率損耗不會增加,并有助于減小此類系統和電子設備的尺寸。

      全球推行碳中和,需要更高效的電子設備,尤其是小型的系統。然而,由于半橋模塊和電流傳感器必須安裝在電感器的兩側,因此將他們集成在一塊芯片上很困難。電流檢測降低功耗(減少熱量)的同時,也會降低的精度,因為這取決于分流電阻。雖然現今的技術可實現高精度電流傳感器,但卻無法降低損耗。

      東芝的新技術采用,將低壓MOSFET與GaN場效應晶體管相連用于電流傳感,因此無需使用分流電阻,避免其產生功耗。此外,電路優化和尖端校準技術可保證10MHz以上的帶寬,可提高產品性能及測量精度。集成到半橋模塊的這款新型IC不僅提高了開關頻率,還縮小了電容器和電感器的尺寸有助于電子設備的小型化。

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      另外,就GaN器件技術而言,東芝的新型GaN共源共柵器件與傳統的共源共柵器件有較大的不同(如圖),由于共源共柵型依靠硅MOSFET來驅動GaN HEMT,因此通常很難通過外部柵極電阻控制其開關速度。然而,東芝通過推出具有直接柵極驅動的器件解決了這一問題,驅動IC可直接驅動GaN HEMT??上窆韫β势骷粯?,改變其開關速度,因此有助于簡化功率電子系統的總體設計。這種新型共源共柵器件的另一個優點是,由于GaN HEMT柵極是獨立控制的,因此新器件不會因外部電壓波動引起的硅MOSFET電壓變化而導致誤導通,從而有助于系統穩定運行。所以該新器件具有電源應用所需的可靠性,該產品實現了穩定的運行并簡化了系統設計,能夠有效降低因誤導通而造成開關期間產生額外能量損失的風險,并可像硅一樣,輕松調節開關速度,這是電力電子系統設計中需考慮的重要因素。

    2.功率器件是第三代半導體的重要應用領域之一,您認為,相比于傳統功率半導體器件,第三代半導體在功率器件應用方面有哪些技術上的優勢,又能帶來哪些技術指標方面的突破和新應用的涌現?

      回答:以SiC和GaN為代表的第三代半導體是近幾年來新興的功率半導體,和傳統的Si功率半導體相比,有著耐壓高,導通電阻小,寄生參數小等的優異的性能。

      由于碳化硅(SiC)的介電擊穿強度大約是硅(Si)的10倍,因此SiC功率器件可以提供高耐壓和低壓降。與相同耐壓條件下的Si相比,SiC器件中的單位面積導通電阻更低。

      雙極IGBT器件,在Si器件中通常用作1000V或更高的高壓晶體管。IGBT雙極晶體管與兩種載流子、電子和空穴共同作用,通過將少數載流子和空穴注入漂移層中,從而降低漂移層的電阻。但是,雙極晶體管的缺點是由于少數載流子的積累而在關斷時產生的拖尾電流,這會增加關斷損耗。

      另一方面,由于SiC MOSFET是單極器件,即便在高壓產品中,也只能通過電子工作,因此不會產生拖尾電流;同時,與Si IGBT相比,其關斷損耗也較低。因此,SiC MOSFET能夠在高頻范圍內運行,這對于Si IGBT來講,是很難實現的。此外,無源元件也有助于設計小型化。

      與IGBT模塊相比,SiC MOSFET模塊的低損耗特性可以降低總損耗(開關損耗+導通損耗)。高速開關和低損耗操作還有助于減小濾波器、變壓器和散熱器的尺寸,實現了緊湊、輕便的系統。這降低了逆變器系統的材料成本。此外,無風扇冷卻系統的實現提高了可靠性和降低維護成本。

      下圖是SiC MOSFET模塊與IGBT模塊的損耗比較

      條件:2電平電路Fc=7.2kHz,Fout=50Hz,Iout=180Arms,Vdc=1090V

      與IGBT相比,SiC MOSFET的低損耗特性降低了總損耗。根據上述條件進行估算,損耗減少約80%。

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      通過將分別采用SiC MOSFET模塊與采用IGBT模塊系統的變壓器尺寸進行比較,可實現91%的降低。高速開關和低損耗運行減小了濾波器和變壓器以及散熱器的尺寸,實現了緊湊、輕便的系統。

      東芝的TW070J120B 1200V SiC MOSFET具有低導通電阻、低輸入電容和低柵極電荷總量的特性,因而可實現高速開關并降低功耗。其目標應用為工業設備用400V AC輸入AC-DC轉換器以及雙向DC-DC轉換器(如光伏模塊和UPS的轉換器)。

      與1200V硅絕緣柵雙極晶體管(IGBT)GT40QR21相比,TW070J120B的關斷損耗降低了約

      80%,開關時間(下降時間)縮短了約70%。此外,對低于20A[1]的電流,新產品還可提供

      低導通電壓。結合低正向壓降的SiC肖特基勢壘二極管(SBD)可降低功率損耗。高柵極電壓閥值(4.2至5.8V)對于避免意外開啟或關閉很實用。

      注:[1] 環境溫度25℃

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    上圖為SiC MOSFET和IGBT關斷損耗比較[2]

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    上圖SiC MOSFET和IGBT關斷波形比較[2](紅色為SiC MOSFET,藍色為IGBT)

      注:[2]GT40QR21的測試條件:VCC=800V,IC=10A,RG=47Ω,Ta=25℃,VGE=20V/-5V,

      感性負載:L=300μH,TW070J120B的源極和漏極之間的二極管與感性負載并聯,用作續流二極管(Free Wheeling Diode:FWD)。

      TW070J120B的測試條件:VDD=800V,ID=10A,RG=47Ω,Ta=25℃,VGS=20V/-5V,

      感性負載:L=300μH,TW070J120B的源極和漏極之間的二極管與感性負載并聯,用作續流二極管(FWD)。

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    上圖為SiC MOSFET和IBGT傳導特性比較(紅色為SiC MOSFET,藍色為IGBT)

    3.隨著雙碳政策的不斷推進,第三代半導體在節能增效方面能夠帶給相關的系統哪些全新的競爭優勢,貴公司有哪些與第三代半導體功率器件相關的方案可以助力系統的節能增效?

            回答:與硅(Si)相比,碳化硅(SiC)是一種介電擊穿強度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導率更高的半導體材料。因此,與硅器件相比,當用于半導體器件中時,碳化硅器件可以提供高耐壓、高速開關和低導通電阻。鑒于該特性,其將成為有助于降低能耗和縮小系統尺寸的下一代低損耗器件。

      解決環境和能源問題是一個重要的全球性問題。隨著電力需求持續升高,對節能的呼聲以及對高效、緊湊型電力轉換系統的需求也迅速增加。

      相比于傳統的硅(Si)MOSFET和IGBT產品,基于全新碳化硅(SiC)材料的功率MOSFET具有耐高壓,高速開關,低導通電阻性能。除減少產品尺寸外,該類產品可極大降低功率損耗。下面介紹二款基于東芝SiC MOSFET的高效率電源系統相關解決方案。

      ?方案1:5kW隔離式雙向DC-DC轉換器參考設計,使用SiC MOSFET提高電源系統的效率.該參考設計是采用1200V SiC MOSFET雙有源橋(DAB)轉換方法的5kW隔離雙向DC-DC轉換器的設計指南,下圖是該參考設計的原理方框圖:

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      該方案在Vin=750V,100%的負載條件下,能實現97%的總效率,下圖是效率曲線

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      本方案采用了東芝SiC MOSFET,Si MOSFET以及智能柵極驅動IC和隔離放大器

      ?方案2:3相AC 400V輸入PFC轉換器參考設計,使用SiC MOSFET提高電源系統的效率。該參考設計是采用3相圖騰柱拓撲結構和1200V SiC MOSFET的4kW 3相AC 400V輸入PFC轉換器的設計指南,下圖是該參考設計的原理方框圖:

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      該方案在Vin=400V,100%的負載條件下,能實現97%的效率,相同條件下的功率因數為0.99,下圖是效率曲線:

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      本方案采用了東芝的SiC MOSFET(TW070J120B)和智能柵極驅動IC(TLP5214A)。

    4.隨著第三代半導體材料的推廣應用,氮化鎵除了在快充領域迅速占領市場以外,未來還將可能在哪些領域嶄露頭角?貴公司有哪些產品和方案?

      回答:GaN的寄生參數極小,開關速度極高,加上高耐壓,高工作溫度范圍,比較適合高頻應用,目前其在快充領域已經得到比較充分的應用,除此之外,基于GaN的上述優異性能,已經或者還將被應用于電動汽車的DC-DC轉換電路、OBC、低功率開關電源以及其他一些對耐壓、開關損耗等性能有較高要求的電力電子系統中。

      東芝于今年的1月31日發布了全球首個集成于半橋(HB)模塊的分流式MOS電流傳感器。當其用于氮化鎵(GaN)功率器件等器件時,該傳感器可使電力電子系統具有很高的電流監測精度,但功率損耗不會增加,并有助于減小此類系統和電子設備的尺寸。

      全球推行碳中和,需要更高效的電子設備,尤其是小型的系統。然而,由于半橋模塊和電流傳感器必須安裝在電感器的兩側,因此將他們集成在一塊芯片上很困難。電流檢測降低功耗(減少熱量)的同時,也會降低的精度,因為這取決于分流電阻。雖然現今的技術可實現高精度電流傳感器,但卻無法降低損耗。

      東芝的新技術采用,將低壓MOSFET與GaN場效應晶體管相連用于電流傳感,因此無需使用分流電阻,避免其產生功耗。此外,電路優化和尖端校準技術可保證10MHz以上的帶寬,可提高產品性能及測量精度。集成到半橋模塊的這款新型IC不僅提高了開關頻率,還縮小了電容器和電感器的尺寸有助于電子設備的小型化。這類可提高功率轉換器效率的功率半導體將為實現碳中和目標做出貢獻。



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