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ON Semiconductor 安森美

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安森美半导体的宽禁带方案、技术及仿真工具优化并加快您的设计

2018-12-13
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市场趋势和更严格的行业标准推动电子产品向更高能效和更紧凑的方向发展。宽禁带产品有出色的性能优势,有助于高频应用实现高能效、高功率密度。安森美半导体作为顶尖的功率器件半导体供应商,除了提供适合全功率范围的高性能硅方案,也处于实现宽禁带的前沿,具备全面的宽禁带阵容,产品涵盖碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 分立器件、模块乃至围绕宽禁带方案的独一无二的生态系统,为设计人员提供针对不同应用需求的更多的选择。


宽禁带应用趋势

据市场调研机构 IHS,从2016年到2027年 SiC 和 GaN 应用将激增,包括电动/混动汽车及充电桩基础设施、太阳能逆变器、电源、工业电机驱动、不间断电源 (UPS)、军事/航空等应用领域,其中电动/混动汽车、太阳能逆变器、电源将是主要的应用市场。


图1直观地表示了各功率器件的频率、输出功率及汽车宽禁带应用。Si 的功率覆盖范围较广,但频率不上去。超级结 (SJ) 的产品可以提高工作频率,使用的范围更广一点。SiC 相对具有高频、高功率的能力,但频率范围比 GaN 低一点,而 GaN 有最高频率范围,功率却相对低一点。


以汽车应用为例,在汽车功能电子化的趋势下,为实现更高的能效,要提高电池电压,这就需要考虑宽禁带方案。如 SiC 可用于要求小型化、高功率的应用,如牵引逆变器,采用 400 V 电池的逆变器能效增加65%,采用 800 V 电池的逆变器能效提升则可达80%。


GaN 则在车载充电 (OBC) 方面更有优势,因为 OBC 的可用空间有限,而 GaN 频率范围更高,可缩减系统体积,降低开关损耗,实现更高能效。


封装将是市场上宽禁带产品用于汽车的关键:高功率模块用于逆变器以优化散热,减小尺寸;为支持高能效的高频开关,需采用极低电感的封装或模块用于 OBC。


 图1:各类功率器件的频率、

输出功率范围及汽车宽禁带应用


当然,还有很多系统采用 Si 技术就可以满足需求,宽禁带器件的成本比硅器件要高,所以需要根据应用需求和成本去综合考量具体使用哪一种技术,以优化设计。安森美半导体的优势在于拥有全系列 Si、SJ、SiC 和 GaN 技术以支持客户。


安森美半导体的 SiC 二极管具有同类最佳的性能和可靠性

SiC 二极管没有反向恢复电流,开关性能与温度无关,这比硅二极管大大降低了开关损耗,具有更佳的热性能,从而实现更高能效。更快的开关还支持设计人员减少磁性线圈和相关的无源器件的尺寸,从而增加功率密度,降低物料单 (BOM) 成本。SiC 产品能稳定的开关于宽温度范围,零电压恢复消除了电压过冲也有助于 SiC 的高性能。


安森美半导体的 SiC 技术具有独特的专利终端结构,进一步加强可靠性并提升稳定性和耐用性,提供更高的雪崩能量、业界最高的非钳位感应开关 (UIS) 能力和最低的漏电流。安森美半导体的650 V 和1200 V SiC 技术结合优越的开关性能、更高可靠性和低电磁干扰 (EMI),非常适合下一代电源转换应用,如太阳能逆变器、电源、电动汽车和工业自动化。其中,650 V、1200 V SiC  二极管系列分别提供6 A 到50 A、5 A 到50 A 的额定电流,都提供表面贴装和通孔封装,包括 TO-247、TO-220、D2PAK、DPAK 和易于以现有的电路板制造能力整合的裸片/晶圆,且都具有零反向恢复、比同类最佳的竞争器件更低的正向电压、不受温度影响的电流稳定性、承受更高的浪涌电流和正温度系数,从而实现极佳的强固性。


例如,安森美半导体1200 V、15 A 的一款 SiC 二极管,雪崩电流接近200 A (3500 A/cm2),8.2 ms 脉冲可以承受158 A (>10倍 额定值) 非破坏性的浪涌电流,33 µs 脉冲可以承受740 A 更高的浪涌电流,而小很多的电流将会使一个平面肖特基二极管发生故障。我们在 85C/85% RH 的高温度/湿度/偏置 VCE=960V 的测试条件下进行了对比测试,结果显示,竞争 SiC 器件 (1200V、8A) 在168小时后发生故障,而安森美半导体 SiC 器件 (1200V, 10A) 通过了1000小时的测试,可见安森美半导体的 SiC 二极管的可靠性更高。


 表1. 安森美半导体的 650 V SiC 二极管


 表2. 安森美半导体的 1200 V SiC 二极管


其中,FFSHx0120 和 FFSHx065 是符合 AEC-Q101 车规的汽车级 SiC 二极管,能在恶劣的电气环境中可靠地工作,为汽车应用带来能效、性能、功率密度等多方面的显著优势。


SiC MOSFET 门极驱动器用于高性能的工业逆变器和电机驱动器

SiC MOSFET 有独特的门极驱动要求。安森美半导体的 NCP51705 是经优化的 SiC MOSFET 门极驱动器,具备高度的灵活性和集成度,能高效、可靠地驱动市场上任何 SiC MOSFET。峰值输出电流高达 6 A,正额定电压可扩展,集成负压充电泵,能提供 -5 V 驱动电压,可调的欠压保护 (UVLO),退饱和 (DESAT) 检测短路保护,过热关断保护。NCP51705 支持设计人员根据需求进行调试,具有简单的 BoM,无需额外的 DC-DC 电路,提供负压实现快速关断,采用 4 mm x 4 mm QFN24 的极小封装,适用于工业逆变器、电机驱动、高性能功率因数校正 (PFC)、AC-DC 及 DC-DC 转换器。图2所示为 SiC MOSFET 门极驱动器 NCP51705 的典型线路图。


图2:典型的半桥隔离门极驱动电路


SiC MOSFET 门极驱动器要点包括:

 类似于传统的硅 MOSFET 驱动器, 在开关时提供高峰值电流,以对 CGS 和 CGD 电容快速充放电

 为实现最低的 RDS (ON,在导通时间内需要提供 20V 至 22V 门极驱动电压

 为实现最快的关断速度和在关态期间不受 dV/dt 影响,在关断期内驱动器应将门极拉至约 -5V

 通过使用低电感封装或共同封装来减轻驱动或开关时源电感的负反馈效应,如漏感引起的振荡、干扰等


安森美半导体提供宽禁带生态系统

为加速设计,安森美半导体提供一个重点围绕宽禁带方案的独一无二的生态系统,包括 SiC、GaN、门极驱动、创新的封装和先进的仿真工具 SPICE 模型。该 SPICE 模型直观、准确、具预测性,支持系统级仿真,设计人员可有把握地仿真数据表中未涵盖的工作条件,从而提前在仿真过程进行评估,加快开发流程。该 SPICE 模型还可连接到多种行业标准的仿真平台端口。


总结

宽禁带产品提供卓越的性能优势,将越来越多地用于太阳能逆变器、电动汽车、数据中心等高压电源应用,但目前成本压力较大,而有些系统其实用硅方案就可满足需求,所以硅方案也是有很大的使用空间,并且超级结技术可延展硅的使用场景。安森美半导体作为全球第二大电源半导体供应商,提供适合全功率范围的高性能硅方案、650 V 和1200 V SiC 二极管,并即将推出1200V SiC MOSFET 和 650V GaN MOSFET,配以先进的封装技术和直观、准确的 SPICE 模型,有助于提供一个完整的生态系统,帮助设计人员以适当的成本实现最适合应用所需的优化的设计,并加快设计进程。


* 提示:点击[阅读原文],下载《实用的、可扩展的 SPICE 模型用于现代电力电子设备的示例》白皮书。SPICE 预测模型可连接到多种行业标准的仿真平台端口。


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