如何驱动碳化硅 MOSFET 以优化高功率系统的性能和可靠性

大家好 欢迎参加 TI 高压互动论坛 我是 Wang Gangyao 今天跟大家探讨的主题是 如何驱动 SiC MOSFET 器件 以优化高功率系统的性能和可靠性 从这个讲座中大家可以了解到 什么是碳化硅 为什么说碳化硅器件 会引起电力电子系统的下一次革命 碳化硅器件能给电力电子系统 带来什么好处 碳化硅器件的早期使用者都是哪些应用 碳化硅器件对于驱动有哪些关键要求 我还会简单的提一下 TI 适用于碳化硅器件的一些驱动产品 比如 UCC2152 系列 UCC53 系列 ISO585 系列 UCC2753 系列 同时我会介绍一些碳化硅相关的应用 比如说太阳能逆变器 纯电动和混合电动汽车牵引逆变器 车载充电器 充电桩等等 这是本次讲座的提纲 首先会探讨碳化硅的材料特性 和碳化硅器件的特点 以及跟硅器件相比有什么优点 其次是碳化硅器件的应用领域概述 以及在太阳能和汽车领域的具体应用 然后会比较详细的介绍 碳化硅器件对于驱动有哪些关键要求 最后介绍一些 TI 的碳化硅器件驱动产品 首先来说一说碳化硅材料做一个小调查 对于以下几个应用 你认为哪些会用到碳化硅 A 防弹衣 B 刹车片 C 订婚戒指 D 高压功率器件 哪些会用到呢 答案是这些上面都会用到碳化硅材料 利用其类似钻石的强度 碳化硅被应用于制造防弹背心的创伤板 同样被用于刹车片的碳陶瓷 本质上也是碳化硅 由于碳化硅具有非常高的熔点和高导热性 也被用于制造钢铁 另一个碳化硅比较有趣的应用 是用来做订婚戒指 这是因为其 非常类似于钻石的晶格结构和物理属性 作为宽带隙材料 碳化硅还被用于开发紫外 LED 除了以上一些应用之外 碳化硅更已成为 开发高压功率器件的优质材料 而所有这些应用都是基于碳化硅的 一系列固有材料属性实现的 我们将会进一步详细研究 下面是一个表格从功率开关角度比较 硅 氮化镓和碳化硅的 一些重要固有材料属性 与硅相比碳化硅具有更高的带隙 和更高的击穿电压 具有稍低的电动性 但饱和速度几乎是硅的两倍 导热率几乎是硅的三倍 那么这些内在材料属性 如何转化为电子 电力器件 和系统中的优势呢 首先宽禁带和更高的击穿场强 适合于制造高压低导通电阻的 开关器件 MOSFET 同样的导通电阻 RDS（ON） 基于碳化硅的 MOSFET 拥有小得多的 芯片面积和寄生电容 以及更快的开关速度 从而降低开关损耗 降低开关损耗可以提高系统效率 使得系统能够在更高的开关频率下工作 而高的开关频率可以减小系统中的 无源元件的尺寸 比如电容 电感 变压器等 另一方面碳化硅材料拥有更高的导热率 可以降低热阻减少散热方面的要求 总结一下就是碳化硅器件 拥有三方面的优势 一 高压低导通电阻 二 开关速度快 低开关损耗 三 低热阻 这些优势可以使得电源系统的尺寸更小 拥有更轻的重量和更低的系统成本 下面具体看一下 碳化硅材料是如何减小导通损耗的 右图是一个 MOSFET 的基本结构 导通电阻通常包括三个主要部分 沟道电阻 JFET 区电阻和漂移区电阻 漂移区的厚度决定器件的阻断电压 漂移区的厚度决定器件的阻断电压 理想情况下单位面积的电阻跟阻断电压 和临界击穿电场强度的关系 可以用中间的公式表达 如果其它参数一样 因为临界击穿电场强度 碳化硅是硅材料的十倍 所以单位面积的漂移处电阻 就是碳化硅的千分之一 但考虑到同样击穿电压条件下 碳化硅器件和硅器件掺杂浓度的不同 实际的单位面积的漂移区电阻 实际的单位面积的漂移区电阻 会接近相差两千倍 另外因为沟道电阻和 JFET 区电阻 另外因为沟道电阻和 JFET 区电阻 基本不随器件的阻断电压变化 所以电压等级越高的器件 漂移区电阻所占的比例越大 漂移区电阻所占的比例越大 碳化硅材料就越有优势 现在主要商用碳化硅器件基本是 1700V 1200V 900V 电压等级 也有一些 650V 的但是相对硅器件 导通损耗的优势会比较小 以上是 SiC 和 Si MOSFET 的比较 对于 650V 上的硅器件 IGBT 被广泛的应用于各种场合 那么 SiC MOSFET 跟 Si IGBT 相比 有什么优势呢 首先从导通上讲 MOSFET 具有基本线性的 I-V 曲线 而 IGBT 有 0.5V 到 1V 的切入电压 这会导致小电流的时候的高导通损耗 其次 IGBT 没有自带的体二极管 所以应用时候 大部分需要并联硅二极管 再者呢 IGBT 没有第三象限导通模式 而 MOSFET 可以工作在同步整流模式 从开关速度上讲 IGBT 作为双极型器件 相对于单极性器件 MOSFET 开关速度慢损耗大 特别是在高温的时候开关损耗增加很快 同时呢与 IGBT 并联的硅二极管 会有比较大的反向恢复 特别是在硬开关情况下 通常 IGBT 的开关频率 会被限制在几十 kHz 以内 前面简单的概述一下碳化硅器件的特性 那么哪些应用场合 比较适合于应用碳化硅器件呢 这张图包括了一些 不通电压和功率等级的应用电路 横轴是电压从 600V 到 6600V 以上 纵轴是功率等级 首先 SiC MOSFET 小倍量用于铁路牵引 其次是商业风力发电厂的太阳能 第三个是混合动力汽车 或者电动汽车的牵引力逆变器 与 DC/DC 模块 对于铁路牵引和汽车方面的应用 碳化硅器件能够提高效率 减小系统尺寸和重量 对于太阳能主要是为了提高效率 其它的应用场合还包括 有源前级 PFC 电路 工业电源 中压驱动等等 3.3kV 及以上的碳化硅的器件 适用于电力传输 风力发电 轮船 电力系统等等场合 下面具体分析一下 碳化硅在太阳能系统中的应用 以下是商用光伏系统 和居民住宅光伏系统的典型体系结构 商用光伏系统功率通常等级在 上百千瓦到兆瓦之间 而住宅系统基本就 5kW 至 50kW 之间 一个新的初试是 将光伏系统连接到本地电池组 如果太阳能电池板 没有提供足够的功率 电池可以为电网提供电力 通常太阳能板和并网逆变器之间 有一个 Boost 升压变换器 用来调节直流母线电压 和实现最大功率追踪 用 SiC MOSFET 升压变换器 可以显著地提高开关频率 以减小 Boost 电感的尺寸 同时提高变换器效率 对于逆变器级基于碳化硅的 TMPC 是学界和工业界比较常用的拓扑结构 可以达到最优的变换效率 对于电动汽车系统 碳化硅器件是如何应用的 以及能带来什么好处呢 这张图给出了一个典型的 混合动力电动汽车的电源系统架构 现在的车辆通常有一条 如左上角绿线所示的 12V 总线 用来向车载娱乐系统和各种传感器供电 未来会慢慢过渡到中间 蓝线所示的 48V 总线 用来向多个电机单元供电 例如水泵 冷却通风口 动力转向等等 混合动力车辆或者纯电动车辆还配备了 电源电压高达 400V 的车载电池 右侧红线显示的是 400V 高压总线 通过逆变器控制电机 那么哪些部分可能会用到碳化硅器件呢 首先用来驱动电机的牵引逆变器 其次是用来充电的车载充电器 通常会是 3.3kW 或者 6.6kW 以及一些双向 DC-DC 变换器 实现高压总线和低压总线之间的能量传输 这些都会受益于 碳化硅器件的高频率和低损耗 电动汽车根据电池容量 和牵引力逆变器功率大小 可以分为如下几类 横轴是电气化程度从微混合到纯电动 纵轴是二氧化碳排放减少程度 蓝色方块给出了牵引逆变器功率范围 黑色方块显示的是电气化百分比 碳化硅适用于全混合电动汽车 到纯电动汽车 特别是电池电压大于 400V 的时候 为了提高充电速度和增加单次行驶里程 使用 800V 电池电压 是电动汽车下一步的趋势 对于车载充电器通常包括一个 PFC 前级 一个 DC-DC 隔离恒流恒压充电级 对于 PFC 如果使用碳化硅器件 可以采用全桥拓扑或者 totem pole 结构 因为我们知道 silicon IGBT 有开关频率和损耗的限制 而 silicon 超结 MOSFET 体二极管 有着非常差的反向恢复性能 导致不适合应用于硬开关半桥电路 而 SiC MOSFET 可以高频率低损耗 同时拥有很低的体二极管反向恢复 从而非常适合于连续模式 PFC 电路 那么对于 DC-DC 级 silicon carbide 可工作在更高的频率下 以减小变压器的尺寸 车载充电器因为拥有较低的功率 使得充电时间比较长 快速充电站或者充电桩拥有更高的功率 可以实现对电动车的快速充电 拓扑结构基本类似于车载充电器 除了拥有更大功率 输入电源通常会是三相输入 大部分时候 PFC stage 会采用 VIENNA 整流拓扑 DC-DC stage 同样提供恒流恒压控制功能 基于碳化硅的充电桩可以实现 高效率高功率密度低尺寸轻重量 上面给大家介绍了一下 碳化硅的应用场合和例子 那么作为新一代电力电子器件对于驱动 有哪些不同于硅器件的要求呢 类似于硅器件通常会包括以下几个方面 首先是隔离要求 其次是高的 CMTI 以及快速过流和短路保护 短的时间延时 高驱动电压 以及其他一些新的要求 后面进一步慢慢详细说明 我们之所以要讨论 碳化硅器件新的驱动要求 一方面是为了更有效的驱动碳化硅器件 以便从功率效率方面取得最大的优势 另一方面是为了保护 碳化硅本身以及整个系统 确保整个系统的稳定运行而不会出现失效 下面表格列出了碳化硅器件驱动的 新要求以及其中的原因 首先是需要高输出驱动电压 SiC MOSFET 根据不同厂商器件 需要 15V-20V 驱动电压 以达到低的导通电阻 通常早期的产品需要 20V 的驱动 新的产品为了尽量跟 Si MOSFET 兼容 驱动电压也可以是 15V 但是另一方面通常关断的时候 需要提供负压驱动 这跟 SiC MOSFET 的低阈值电压 和防止米勒效应引起的误导通相关 负压偏置通常在 -3V 和 -5V 之间 米勒误导通指的是 当因为另外一个开关管的动作 导致关断状态下的器件栅极电压上升 上升的电压通过栅极耦合到门极 导致门极到源极的电压升高超过阈值电压 这种现象可能会导致半桥拓扑中的上下管 同时导通从而造成短路 而负压偏置可以使得门极电路 更难以达到阈值电压从而避免误导通 另一个避免误导通的方法 是增加有源米勒钳位电路 当关断时不通过关断电阻 直接将门极拉到低驱动电压 从而避免器件的误导通 高的驱动电压可以降低导通电阻 从而减小导通损耗 但是 SiC MOSFET 的门极电压 通常不能超过 25V 或者 18V 所以需要驱动电压有比较精确地控制 一方面达到低损耗 另一方面实现安全运行 除了驱动电压和米勒嵌位的要求 强的驱动能力可以提高开关速度 减小开关损耗 如右图所示 红色线条表示驱动电流 蓝色表示门极电压 绿色是栅极电压 橙色是栅极电流 栅极电压电流重叠的黄色填充部分 表示开通损耗 当驱动电流大的时候 如图中下半部分 电流上升速度和电压下降速度 都变得更快从而减小开关损耗 但是另外一方面快速的电压电流变化 会因为电路各种寄生参数引起噪音而振荡 特别是高 dv/dt 会通过驱动输入输出侧之间的耦合电容 耦合到输入侧 从而导致逻辑错误或者驱动损坏 所以碳化硅驱动 必须具有很高的 CMTI 能力 SiC MOSFET 的开关速度能够达到 100V/ns 所以需要驱动芯片提供更高的 CMTI 支持 而不是 MOSFET 开关的速率 TI 业界最佳的串联电容隔离技术 能够提供非常高的 CMTI 以及其他一些优势 例如业界最高的寿命和最低的传播延迟变化 从而使电力电子系统更加可靠 对于碳化硅器件驱动的另外一个关键要求 是更快的短路保护 对于相同导通能力 对于相同导通能力 碳化硅裸片尺寸明显小于硅 IGBT 这意味着 SiC MOSFET 裸片具有较低的热容 在短路的时候能承受的时间更短 通常 IGBT 具有十个微秒的短路能力 而碳化硅器件通常具有 低于三个微秒的短路能力 所以需要驱动电路提供快速保护 另一方面 SiC MOSFET 的 I-V 特性 更加加剧了这种挑战 如图中所示 对于 IGBT 在正常导通状态下工作在饱和区 当发生短路时集电极电流增加 然后 IGBT 从饱和区快速进入到放大区 此时集电极电流受到自限制 从而限制瞬时功率 IGBT 的保护通常通过 去饱和保护电路来实现 但是对于碳化硅器件 正常的时候工作在线性区 正常的时候工作在线性区 短路的时候进入饱和区 其本身不具有自限电流能力 所以短路时电流一直会 随栅源极电压上升而上升 从而导致短路时瞬时功率密度很大 这也是为什么 SiC MOSFET 需要在两微秒甚至更短的时间内进行保护 对于碳化硅器件驱动的另一个要求是 较短的传播延迟 从而可以设置更短的死区时间 因为对于半桥电路在死区的时候 电流会通过 MOS 管的体二极管 然而体二极管具有相对较大的电压降 这在开关周期中会增加一些损耗 特别对于很高频率的应用影响会更明显 因为周期短死区时间占的比例大 另外在有些应用场合可能需要驱动 能够具有检测器件温度的功能 比如电动车或者石油钻井等应用 拥有温度检测功能的驱动 能给系统带来更多的可靠性 以上介绍了碳化硅器件驱动的一些要求 那么对于实际应用中 驱动和器件的 PCB 走线方面 有哪些需要注意的问题呢 我们可以分析一下典型的半桥电路 都包括哪些寄生参数有什么负面影响 以及有什么办法可以减少这些影响 首先在驱动环路里面会包括一部分 功率环路的源极寄生电感 开关暂态的时候 di/dt 在此电感 LCS 上引起的电压 会减慢开关速度也会增加门极振荡噪音 可能的缓解办法包括 使用单独的 kelvin 源极回路 如果器件封装提供单独的引脚的话 比如说 TO247 四脚封装 但是如果没有这个选择的话 需要将驱动的地以最短路径 直接接到器件的源极引脚 而不要通过 PCB 上的功率线 第二个寄生参数是米勒电容 CGD 这包括碳化硅器件的本身的电容 和 PCB 的寄生电容 这个电容在高 dv/dt 时候的耦合电流 有可能会导致半桥互通 器件本身电容无法改变 对于 PCB 要尽量减少 门极和栅极之间的走线的重叠 第三个寄生参数就是输出电容了 就是图中的 CGD CDS 之和 这包括器件本身的电容和 PCB 的寄生电容 这部分电容会增加开关损耗 特别对于高开关频率影响更加明显 所以说也需要尽量避免 PCB 上栅极和源极 栅极和源极之间的走线重叠 第四个寄生参数是功率环路的寄生电感 在器件关断的时候 这会导致过高的栅极超调电压 给器件带来额外的电压应力 所以需要尽可能优化 PCB 布局 以及并联无感电容来减小此电感 另外在短路关断的时候电流 di/dt 很大 为避免电感产生过高的栅极电压 可以采用软关断或者两级关断的方法 这是短路时两级关断的例子 短路时首先 VDS 电压从 15V 降到 12V VDS 产生 60V 的超调电压 然后 VDS 再从 12V 降到 -4V VDS 产生 102V 的超调电压 最后我想介绍一下 TI 业界领先的 碳化硅器件驱动芯片 UCC2753 系列是一款单通道非隔离型驱动 具有 35V 输出驱动电压 峰值电流为上拉 2.5A 下拉 5A 传播延迟仅为 17ns 采用 SOT-23 六引脚封装 能够节省 PCB 面积 UCC2152 系列是领先的 双通道隔离驱动器产品 具有 25V 输出驱动电压 4A 上拉电流 6A 下拉电流 业界最低的 19ns 延迟 该产品支持增强型隔离 及60s 5700V 有效值的耐压 通过了 IEC 和 VDE 的认证 采用 TI 业界最佳的电容隔离技术 可以实现 100V/ns 的 CMTI 能力 该驱动器还具有独特的外部可编程重叠 及死区时间控制 以实现更快更可靠的开关过程 UCC53 系列 是单通道隔离型碳化硅驱动器产品 输出驱动电压高达 33V 最高驱动能力可达到 17A 使其非常适合驱动碳化硅功率模块 通过加快电流转换到电压 高驱动强度显著降低了瞬时开关损耗 ISO58 系列同样是一款 单通道隔离型碳化硅驱动器 但跟 UCC53 系列相比 58 系列具有先进的保护功能 例如有源米勒嵌位 去饱和检测电路 以及实现快速过电流检测 在发生短路事件时更能软关断器件 并可向控制器回馈故障信号 除了已有的驱动产品外 我们也正在开发具有领先优势的 碳化硅专用驱动 以满足前面提到的 对于碳化硅驱动器件的新要求 以下是 TI 网站提供的几种 碳化硅驱动评估板 您可以预定这些模块 来评估我们的碳化硅驱动器产品 最后感谢大家的时间 查看以下链接 可以进一步了解 TI 的领先技术 如何实现业界最佳的碳化硅驱动器产品 谢谢