SiC材料特性

 

SiC是一種半導體材料，它的帶隙(3.26 eV）比矽（1.12 eV）大
，對電力電子器件來說有許多有利的特性。

 

SiC的介電擊穿強度比矽高10倍。功率電子開關最重要的功能之一是保持高電壓。由於介電強度高
，SiCkezhichigaodianyazaijiaoduandejulineitongguoqijian。zhegejuliyeshichuizhiqijianzhonggoudaoheloujichudianzhijiandepiaoyiquyu。gengduandepiaoyiquyujiangdileqijiandedianzu，bingzhijieshichanshengdegonglvsunhaogengdi。

 

寬帶隙也減少了熱激發載流子的數量，導致自由電子減少，漏電流降低。此外，與傳統的Si器件相比，漏電流小，而且在更大的溫度範圍內穩定。這使得SiC MOSFET和二極管成為高溫應用的更高效選擇。

 

SiC的熱導率比矽高三倍，可實現更好的散熱。功率電子器件的散熱是係統設計的重要一環。SiC的熱導率使開關的工作溫度和熱應力降低。

 

最後，SiC的電子飽和速度是矽的兩倍，這使得開關速度更快。更快的開關具有更低的開關損耗，可以在更高的脈寬調製(PWM)頻率下工作。在一些電源轉換拓撲結構中，更高的PWM頻率允許使用更小、更輕和更便宜的無源元件
，這些元件往往是係統中最大和最昂貴的部分。

 

製造SiC晶圓（半導體器件的原材料）的過程比製造Sijingyuangengjutiaozhanxing。guijingdingkeyicongrongtizhonglachu，ertanhuaguijingdingbixutongguohuaxueqixiangchenjifazaizhenkongshizhongshengchang。zheshigehuanmandeguocheng，erqieyaoshishengchangquexianshukejieshoushihennande。SiC是一種相對較硬
、較脆的材料（通常用於工業切割），因此，需要特殊的工藝來從晶錠中切割晶圓。

 

安森美半導體有多個SiC基板的供應協議
，可確保產能滿足SiC需求的增長。此外，我們正發展SiC基板的內部供應。

 

圖1：寬禁帶優勢

 

改進三相逆變器

 

三相逆變器是可變速高壓電動機驅動的傳統方案，其矽IGBT與反並聯二極管共同封裝
，用於支持電動機電流換向。三個半橋相位驅動逆變器的三相線圈
，以提供正弦電流波形並驅動電動機。

 

有幾種方法可用SiC提高係統的性能。逆變器中浪費的能量由導通損耗和開關損耗組成。SiC器件會影響這兩種損耗機製。

 

用SiC肖特基勢壘二極管代替反並聯矽二極管變得越來越普遍。Si反向二極管有反向恢複電流

，這會增加開關損耗並產生電磁幹擾(EMI)。

 

SiC二極管的優點是幾乎沒有反向恢複電流，可降低達30％的開關損耗，並可能減少對EMI濾波器的需求。同樣
，反向恢複電流在導通時會增加集電極電流，因此SiC二極管會減小流過IGBT的峰值電流
，從而提高係統的可靠性。

 

提高逆變器能效的下一步是用SiC MOSFET完全取代IGBT。SiC MOSFET可降低5倍開關損耗，從而進一步提高能效。SiC MOSFET的導通損耗可以是相同額定電流的Si IGBT的一半，具體取決於器件的選擇。

 

能(neng)效(xiao)的(de)提(ti)高(gao)導(dao)致(zhi)更(geng)少(shao)的(de)散(san)熱(re)。然(ran)後(hou)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)縮(suo)小(xiao)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)或(huo)完(wan)全(quan)消(xiao)除(chu)主(zhu)動(dong)冷(leng)卻(que)來(lai)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。然(ran)後(hou)，較(jiao)小(xiao)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)直(zhi)接(jie)安(an)裝(zhuang)在(zai)電(dian)動(dong)機(ji)殼(ke)體(ti)上(shang)
，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)電(dian)纜(lan)和(he)電(dian)動(dong)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)櫃(gui)。

 

WBG器件開關速度很快，這減少了開關損耗，但帶來了其他挑戰。較高的dv/dt會產生噪聲，並可能導致對電動機繞組的絕緣產生應力。

 

一種解決方案是使用門極電阻來減慢開關速度


，但隨後開關損耗會回升至IGBT的水平。

 

另一種解決方案是在電動機相位上放置一個濾波器。濾波器尺寸隨PWM頻率的增加而縮小，可在散熱性和濾波器成本之間進行權衡。

 

快速開關功率器件不能耐受逆變器電路中的雜散電感和電容。所謂的“寄生”電感會由於開關過程中產生的高瞬變而導致電壓尖峰。為消除寄生效應，請確保印刷電路板（PCB）的(de)布(bu)局(ju)正(zheng)確(que)。所(suo)有(you)電(dian)源(yuan)回(hui)路(lu)和(he)走(zou)線(xian)應(ying)短(duan)
，器(qi)件(jian)排(pai)列(lie)緊(jin)密(mi)。即(ji)使(shi)是(shi)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)回(hui)路(lu)也(ye)應(ying)謹(jin)慎(shen)地(di)最(zui)小(xiao)化(hua)，以(yi)減(jian)少(shao)由(you)於(yu)噪(zao)聲(sheng)而(er)導(dao)致(zhi)不(bu)想(xiang)要(yao)的(de)器(qi)件(jian)導(dao)通(tong)的(de)可(ke)能(neng)。

 

功率模塊以正確的拓撲結構將多個器件集成在一起用於電機驅動（以及其他）
，從而提供了一種具有低寄生電感和優化布局的更快解決方案。功率模塊減少需要連到散熱器上的器件數量，從而節省了PCB麵積並簡化了熱管理。

 

安森美半導體的方案

 

安森美半導體提供不斷擴增的SiC器件陣容，適用於廣泛應用。

 

我們的SiC二極管有650 V、1200 V及1700 V版本，采用TO-220、TO-247、DPAK及D2PAK封裝。我們還將SiC二極管與IGBT共同封裝，以獲得平衡性能和成本的混合解決方案。

 

我們的SiC MOSFET，有650 V（新發布的！）
、900 V和1200 V版本，采用3引線和4引線封裝
，我們正在開發一個基於SiC MOSFET的三相逆變器模塊。

 

最後，我們還提供專為SiC開關設計的非隔離型和電隔離型門極驅動器
，以構成全麵的解決方案。

 

圖2：安森美半導體的新的650 V SiC MOSFET

 

總結

 

SiC器件的快速開關和更低損耗使其成為高效、集(ji)成(cheng)電(dian)動(dong)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)重(zhong)要(yao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。如(ru)上(shang)所(suo)述(shu)

，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)縮(suo)小(xiao)電(dian)動(dong)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)尺(chi)寸(cun)並(bing)使(shi)其(qi)更(geng)靠(kao)近(jin)電(dian)動(dong)機(ji)
，以(yi)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)並(bing)提(ti)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)。安(an)森(sen)美(mei)半(ban)導(dao)體(ti)提(ti)供(gong)的(de)用(yong)於(yu)SiC電機驅動器的廣泛且不斷擴增的器件和係統適用於廣泛的工業應用。