中壓的碳化硅 MOSFET的快速開關(guān)切換瞬態(tài)可能導(dǎo)致dV/dt高達(dá)100 kV/μs，這要求門極驅(qū)動(dòng)電路具有非常低的絕緣電容。電力傳輸階段的設(shè)計(jì)目標(biāo)是高絕緣要求、低耦合電容和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)器占用空間。一般而言，中壓應(yīng)用需要對(duì)器件進(jìn)行串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)冗余和高工作電壓。中壓碳化硅器件的串聯(lián)連接需要門極驅(qū)動(dòng)器能夠同時(shí)切換所有器件。串聯(lián)連接的器件在開啟時(shí)的延遲可能導(dǎo)致電壓不匹配，從而引發(fā)過電壓或不正確的電壓分配問題。

使用3.3 kV中壓碳化硅MOSFET代替串聯(lián)低壓（1,200 V或1,700 V）MOSFET或IGBT具有巨大的優(yōu)勢(shì)，包括更簡(jiǎn)單的門極驅(qū)動(dòng)、用單個(gè)中壓器件替代多個(gè)低壓晶體管和整流管可以減少相關(guān)的寄生電感、有著較低的導(dǎo)通損耗和更高的效率。因此，功率轉(zhuǎn)換器的整體尺寸、重量和冷卻要求可以顯著減少。

在一個(gè)4.16 kV的模塊化多電平變流器中，對(duì)3.3 kV/400A 納微半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET、3.3 kV/400A 硅IGBT和由第三方提供的兩個(gè)1.7 kV/325A 碳化硅MOSFET串聯(lián)連接進(jìn)行的電路效率和最大結(jié)溫測(cè)試中，顯示了3.3 kV碳化硅MOSFET在中壓應(yīng)用中的顯著優(yōu)點(diǎn)?？偟膩碚f，3.3 kV碳化硅 MOSFET減小了半導(dǎo)體損耗，并且有更小的安裝半導(dǎo)體芯片面積，提高了系統(tǒng)的功率密度（包括散熱器和風(fēng)扇的體積）。

單片集成了MPS二極管的

3.3 kV碳化硅MOSFET

通過將混合式的PiN Schottky（MPS）二極管單片集成到MOSFET中，可以進(jìn)一步提高效率和可靠性。無需外部連接二極管即可實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通和開關(guān)損耗的續(xù)流二極管操作，同時(shí)減少與外部二極管連接相關(guān)的寄生電感。此外，這也繞過了D-MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)置的P-well/N-漂移層形成的體二極管，其操作可能導(dǎo)致D-MOSFET的N-漂移層中不可避免存在的基面位錯(cuò)出現(xiàn)故障。

圖3：三相I-V特性曲線，

左側(cè)是測(cè)量得到的3.3 kV、40 m?的獨(dú)立碳化硅MOSFET，

右側(cè)是集成了單片MPS二極管的SiC MOSFET

其優(yōu)點(diǎn)包括更高效的雙向性能、溫度無關(guān)的開關(guān)特性、低開關(guān)和導(dǎo)通損耗、降低散熱要求、卓越的長(zhǎng)期可靠性、易于并聯(lián)和更低的成本。

圖4：具有單片集成肖特基整流器的3.3 kV

碳化硅MOSFET的剖面器件示意圖

納微半導(dǎo)體的3.3 kV 分立碳化硅MOSFET和單片集成 MPS 二極管的碳化硅MOSFET通常具有3,600-3,900V的擊穿電壓范圍，遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)表中的數(shù)值。在集成單片二極管時(shí)，由于在高電場(chǎng)下肖特基勢(shì)壘降低，觀察到稍高的漏極漏電流。圖 5 表明，在測(cè)試中，納微半導(dǎo)體的單片集成二極管的碳化硅MOSFET 其擊穿電壓在3.5-3.7 kV 范圍內(nèi)，額定3.3 kV 擊穿電壓時(shí)漏電流約為50 μA（或0.3 mA/cm2），其 RDS(on) 約為80 mΩ（測(cè)量值）。

圖5：在單片集成MPS二極管的3.3kV碳化硅MOSFET上

測(cè)量的第三象限擊穿特性

使用非鉗位感性開關(guān)（UIS）測(cè)量來研究具有集成 MPS 二極管的3,300-V 碳化硅MOSFET 的雪崩魯棒性。在峰值漏極電流為30 A 的條件下，漏極電流/電壓波形如圖 6 所示。在測(cè)試期間，漏極電壓上升到最高達(dá)4,200 V，并從 UIS 測(cè)量中提取出最大雪崩承受時(shí)間（tAV）為35 μs，單脈沖雪崩能量（EAS）為2.6 J（或7.6 J/cm2）。相比之下，對(duì)具有相同負(fù)載電感的3,300-V 分立碳化硅MOSFET 進(jìn)行的測(cè)試得到的 EAS 為4.8 J。

圖6：在單片集成MPS二極管的3.3kV碳化硅MOSFET上

執(zhí)行的UIS測(cè)量所得的漏極電流和漏極電壓波形

短路魯棒性

納微半導(dǎo)體碳化硅MOSFETs的短路魯棒性是將具有和不具有單片集成MPS二極管的3.3 kV分立碳化硅MOSFETs在1,200 V的直流電源上進(jìn)行評(píng)估。采用20 V / -5 V的門極驅(qū)動(dòng)方案，并將器件安裝在25°C的散熱底板上。在短路脈沖期間，漏極電流增加到最高值525 A，測(cè)得短路耐受時(shí)間為4.5 μs（圖7）。

圖7：在1,200V直流電源下對(duì)具有單片集成MPS二極管的

3,300V碳化硅MOSFET進(jìn)行短路測(cè)試得到的漏極電流波形

總結(jié)

Summary

在逆變器中應(yīng)用碳化硅將加速能量存儲(chǔ)技術(shù)的采用，并使其成為未來電網(wǎng)的關(guān)鍵元素。通過采用隔離拓?fù)鋵ESS集成到中壓電網(wǎng)中，使用3.3 kV的單個(gè)碳化硅MOSFET相比相同耐壓的硅IGBT或串聯(lián)的兩個(gè)1,700 V 碳化硅MOSFET，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的系統(tǒng)效率、更低的工作溫度和更小的芯片尺寸。

納微半導(dǎo)體的3.3 kV單體集成MPS二極管的碳化硅MOSFETs實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超3.3 kV的擊穿電壓，并展現(xiàn)了平穩(wěn)的開關(guān)性能，同時(shí)完全激活了單體MPS二極管性能。這顯著降低了第三象限工作中的功率損耗，并通過減輕雙極退化來提升器件的可靠性。UIS測(cè)試顯示了強(qiáng)大的雪崩能力和4.5微秒的短路耐受時(shí)間。

本文轉(zhuǎn)載自Power Electronics News

作者為Ranbir Singh 和 Siddarth Sundaresan

審核編輯：劉清