分享

SiC MOSFET、Si CoolMOS和IGBT的特性对比

 陸号鱼 2019-08-09
作者:海飞乐技术 时间:2018-08-20 17:39

  近些年,碳化硅(SiC)半导体器件因其材料具有击穿电场高、载流子饱和漂移速度快、热稳定性好及热导率高等优势,可提高电力电子变换器的性能,引起了国内外学者的广泛关注。
 
  目前,商用的SiC半导体器件有SiC肖特基二极管、SiC JFET及SiC MOSFET。由于SiC肖特基二极管的反向恢复特性好于Si二极管,将其应用于PFC电路或逆变器中,效率得到明显提高。SiC JFET是目前最成熟的SiC半导体器件,其开关速度和开关损耗均优于Si MOSFET和IGBT。但JFET的主要缺点是常通型,必须通过负压关断器件,当驱动电源出现故障时,很可能出现短路现象。
 
  自2011年,CREE公司推出第一代SiC MOSFET,较多研究人员对SiC MOSFET的特性进行深入研究。有文献指出SiC MOSFET的驱动电压较低时,其导通电阻为负温度系数;驱动电压升高之后,其导通电阻为正温度系数。仿真对比了应用SiC MOSFET和Si IGBT的双向Buck-Boost电路的效率,但没有实际应用效率的对比。由于双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)变换器能自然实现ZVS软开关,结构简单,效率高,对SiC MOSFET在DAB变换器中的应用研究也较多。有文献在DAB变换器中比较了SiC MOSFET、Si CoolMOS和IGBT的输出电容CS大小以及其对ZVS软开关的影响,但没有对器件的其他特性进行对比分析。
 
  为了具体了解SiC MOSFET的性能优势,及其与Si CoolMOS和IGBT的特性差异,本文将SiC MOSFET、Si CoolMOS和IGBT的特性进行对比。首先对比三种器件的静态特性,分析其对器件性能的影响。然后搭建基于Buck变换器的测试平台,对每种器件的开关特性进行测试。最后基于一台2kW的DAB变换器,测试对比应用三种器件的效率。
 
  1. 静态特性对比
  与CMF20120D击穿电压VBR相近的高压Si MOSFET的导通电阻RDS(on)均较大,因此本着额定电流ID和导通电阻相近的原则,本文选取了IPW65R065C7作为对比对象。这款CoolMOS其最大特点是开关速度快。而本着Si IGBT的击穿电压和额定电流相近的原则,本文选取了IKW25N120T2作为对比对象。IKW25N120T2为Infineon公司应用广泛的一款Si IGBT。表1为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的器件参数。

表1 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的器件参数
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的器件参数 
 
  图1为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2不同栅电压(VGS或VGE)的I-V输出特性曲线。如图1a所示,CMF20120D的VGS大于18V之后特性曲线的斜率变化较小。如图1b所示,IPW65R065C7的VGS大于8V之后特性曲线的斜率基本不变,VGS为10V和20V的特性曲线重合。如图1c所示,IKW25N120T2的VGE大于13V时特性曲线的斜率基本不变,VGE为17V和20V的特性曲线重合。CMF20120D的饱和区与线性区的拐点没有IPW65R065C7和IKW25N120T2清晰。上述现象源于三种器件的不同的跨导特性,如图2所示。
 
  CMF20120D的跨导系数(gfs)最小,沟道迁移率最低,VGS较高时才能获得低导通电阻。为了保证CMF20120D具有低通态损耗,其驱动电压要高于18V,与Si半导体器件不同。
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的I-V输出特性 
图1 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的I-V输出特性
 
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的跨导特性 
图2 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的跨导特性
 
  图3a、图3b和图3c分别给出了CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的Ciss,Coss和Crss随器件电压(VDS或VCE)变化的曲线。IKW25N120T2的Ciss最小,其VGE响应最快,驱动损耗最小。IPW65R065C7的Coss最小,其关断时Coss存储能量最小(器件开通时,Coss存储的能量转化为开通损耗)。IPW65R065C7的Crss最小,其VGS的密勒平台时间最短,dv/dt最大。
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的Ciss,Coss和Crss 
图3 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的Ciss,Coss和Crss
 
  2. 开关特性对比
  图4为基于Buck变换器的测试平台,用于测试CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2
的开关特性。二极管VD为SiC肖特基二极管C4D20120A,其器件参数见表2。SiC肖特基二极管无反向恢复特性,用于限制被测器件(Device Under Test,DUT)开通时的电流尖峰。Buck变换器的测试条件见表3。驱动电路框图如图5所示,使用Avago公司的ACPL-4800光耦隔离芯片和IXYS公司的IXDN609SI驱动芯片,驱动电路的负压通过三端稳压器LM337调节。根据器件的静态特性,设计CMF20120D的驱动电压为+18/−3,IPW65R065C7和IKW25N120T2的驱动电压为+15/−3。
 基于Buck变换器的测试平台 
图4 基于Buck变换器的测试平台
表2 C4D20120A的器件参数
C4D20120A的器件参数 
表3 测试平台的测试条件
测试平台的测试条件 
DUT的驱动电路 
图5 DUT的驱动电路
 
  图6所示为Buck变换器的输出电流为7A时,CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开通和关断的波形。IKW25N120T2的VGE响应速度最快。CMF20120D的开通延迟时间和关断延迟时间最短。IPW65R065C7的电压电流变化时间最短,但其开通电流尖峰和关断电压尖峰最大。IKW25N120T2关断拖尾现象严重。
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关波形 
图6 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关波形
 
  图7为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关时间随RG变化的曲线。td(on)为开通延时时间,ton为产生开通损耗的时间,即器件开通时电压电流的交叠时间,td(off)为关断延时时间,toff为产生关断损耗的时间,即器件关断时电压电流的交叠时间。测试结果显示,RG越大,开关时间越长。CMF20120D的开通延时间和关断延时时间最短,IPW65R065C7和IKW25N120T2的关断延迟现象比较严重。CMF20120D产生开通损耗的时间最长,IPW65R065C7最短。IPW65R065C7产生关断损耗的时间最小,CMF20120D与其相近。IKW25N120T2因其关断拖尾现象,产生关断损耗的时间最长。
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关时间 
图7 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关时间
 
  图8为Buck变换器的输出电流不同时,CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关损失能量。Eon为开通损失能量,Eoff为关断损失能量。
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关损失能量 
图8 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关损失能量
 
  测试结果显示,随着负载电流增加,开关损失能量增加。CMF20120D开通损失能量最大,IPW65R065C7最小。IPW65R065C7的关断损失能量最小,CMF20120D与其相近。IKW25N120T2的关断损失能量最大。
 
  图9为Buck变换器的输出电流不同时CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开通di/dt和关断dv/dt。测试结果显示,IPW65R065C7的电压电流变化率最大,IKW25N120T2最小。
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开通di/dt和关断dv/dt 
图9 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开通di/dt和关断dv/dt
 
  表4为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2内部二极管的静态参数。其中IKW25N120T2的内部二极管为出厂前封装在内的Si快恢复二极管。图10为测试二极管反向恢复特性的电路图。图11为三种器件内部二极管及SiC二极管C4D20120A的反向恢复电流测试结果,此处测试结果包含二极管结电容充电电流。测试结果显示,CMF20120D的内部二极管的反向恢复电流最小,反向恢复时间最短。而IPW65R065C7的内部二极管的反向恢复特性最差,其反向恢复电流峰值是CMF20120D内部二极管的6倍,反向恢复时间是CMF20120D内部二极管的3倍。CMF20120D的内部二极管与C4D20120A对比,其反向恢复电流略大于C4D20120A。
表4 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的内部二极管静态参数
CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的内部二极管静态参数 
测试二极管反向恢复特性的电路 
图10 测试二极管反向恢复特性的电路
 
器件内部二极管和SiC肖特基二极管的反向恢复电流 
图11 器件内部二极管和SiC肖特基二极管的反向恢复电流



上一篇:高压IGBT串联均压控制电路阈值电压设计方法
下一篇:SiC MOS、CoolMOS和IGBT在DAB变换器中的应用

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多