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英飛凌新一代650V碳化硅MOSFET的性能和應用分析

—— 650V CoolSiC MOSFET帶來了堅固可靠性和高性能
作者:王瑩時間:2020-05-06來源:電子產品世界收藏

2020年2月,的領導廠商之一英飛凌祭出了650V CoolSiC? MOSFET,帶來了堅固可靠性和高性能。它是如何定義性能和應用場景的?下一步產品計劃如何?業的難點在哪里?為此,電子產品世界等媒體視頻采訪了英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源先生。

本文引用地址:http://www.954562.live/article/202005/412732.htm

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英飛凌科技 電源與傳感系統事業部大中華區 開關電源應用高級市場經理 陳清源

據悉,此次英飛凌推出了8款650V CoolSiC? MOSFET產品,采用2種插件TO-247封裝,既可采用典型的TO-247 三引腳封裝,也支持開關損耗更低的TO-247 四引腳封裝(如下圖)。

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從靜態導通電阻 RDS(on) 的角度來看,英飛凌有4款產品:(27~107)mΩ。當然這是第一個階段,接下來,英飛凌會再推出更多的封裝(例如封裝)來滿足不同領域的應用。

目前該產品的目標市場,主要是服務器/數據中心用的電源,還有通訊電源,例如4G、5G的大基站、小基站用電源,此外,還有工業電源、光伏、充電樁、UPS(不間斷電源系統),以及能源儲存。這些目標市場今后增長都將非??焖?。

1 應該具備哪些功能和性能

上文所述的電源設計,要考慮到堅固性和可靠性。例如通訊電源往往需要使用10年以上,服務器與數據中心也大概要5~10年。另外,應用工程師對于可能沒那么熟悉,所以在碳化硅的設計上,也要做到易用性。在技術指標上,需要熱導系數優良,適合高溫場景,柵極氧化層采用溝槽形式以提升可靠性。

1)如何支持堅固性和可靠性

?   新產品在柵極氧化層的可靠度方面做了很多優化。因此,它目前的堅固度已經很成熟了,媲美IGBT與CooIMOS的FIT率。

?   為了防止“誤導通”,英飛凌把 VGS(TH) 重新設計在大于4V上,這樣可以降低一些噪音進來而引發的“誤導通”。

?   在一些特殊的拓撲,例如CCM圖騰柱的拓撲,有硬換向的體二極管。

?  抗雪崩方面,由于電源的應用環境可能會出現雜訊,或電源電壓不穩定(可能會超過額定電壓650V),所以新產品具有抗雪崩能力,以防止不適當使用所造成的器件或電源的損壞。

?   有抗短路的能力。

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2)易用性

憑借以往與業界電源的領導廠商合作,英飛凌把 VGS 電壓范圍放寬。在0V電壓可以關斷 VGS ,就不會到負電壓,因此不會像氮化鎵要做一個負電壓,造成整個電路的負擔。

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那么,如何實現上述特點?650V CoolSiC? MOSFET做了如下工作。

1)碳化硅的熱導系數優良,適合高溫場景

碳化硅比硅和氮化鎵的熱導系數好。例如在100℃的 RDS(on) 變化,碳化硅比硅少了32%,比氮化鎵少了26%。好處是可以降低用戶的設計成本,這也是為什么碳化硅往往被用于高溫場景的原因(如下圖)。

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2)柵極氧化層采用溝槽式,以提高性能和可靠性

柵極氧化層是設計的難點之一。在碳化硅的前端工藝方面,業界主要有2種方法:平面式,溝槽式。英飛凌采用的是溝槽式。因為溝槽式是未來的大勢所趨:平面式在導通狀態下,性能與可靠性之間需要很大的折衷;溝槽式更容易達到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。

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不過,溝槽式的生產會更為復雜,因為它的柵極氧化層比較薄,需要兼顧耐用性。然而,英飛凌已有20年的碳化硅的經驗積累,無論是控制良率,還是控制穩定性,都很有經驗。

3)適合硬換向的拓撲,可以達到更高的效率

對于硬換向的拓撲,有 Qrr和Qoss兩個重要的參數。英飛凌的Qrr是遠低于硅器件的體二極管。Qoss的參數更低(如下圖)。

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值得一提的是,其他友商的產品也會涉及到RDS(on)*Qrr, RDS(on)*Qoss。但英飛凌的參數值最低,可見英飛凌在此技術上是領先的。甚至有些供應商不標明RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss,這會對工程師在設計上造成很大的困難。

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4)PFC圖騰柱可提高功率密度及效率

因為在 Qrr和Qoss等參數上的值更小,所以新的650V CoolSiC? MOSFET非常適合CCM PFC圖騰柱等硬換向拓撲,可以達到很高的效率,例如用了48mΩ,效率可以在PFC達到 99%。而以往的硅技術,是很難做到的。

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實際上,圖騰柱在高壓電源轉換里并不是很新的結構,就是橋式拓撲結構。這種結構在低壓的電源轉換里是很常見的。但在高壓里,則受限于常用的一些器件所謂的“反向恢復特性”,例如大功率轉換里常用的超級結的硅器件。

而現在的新材料,例如碳化硅,本身的“反向恢復速度”很快,在用這種圖騰柱結構時,如果是處于“軟開關”的情況之下,或者由于一些條件導致體二極管導通電流,又會突然再反向,這時,碳化硅比常見的硅材料“反向恢復速度”快很多,就可以用到以前在超級結時無法使用的圖騰柱結構。

那么,圖騰柱能提供多高的功率效率?這要看在什么樣的電壓條件及功率范圍。目前圖騰柱做的3kW PFC在220V的輸入條件下,可以輕松做到(滿載)98%以上甚至98.5%以上的效率。

5)若配合英飛凌的驅動IC,可以讓整個性能更加優化,設計的穩定度更好。當然,如果有的客戶基于成本的考量,不需要到99%,只要97%、96%就足夠了,英飛凌還有其它的選項,例如72mΩ、107mΩ等(如下圖)。

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2 應用案例

650V CoolSiC? MOSFET適合應用在哪些場景呢?以下介紹大型數據中心、5G小基站、其它儲能系統。

1)大型數據中心

大型數據中心的標準功率密度約是平均每個機架3kW。系統廠商希望效率越高越好,通常要超過96%。因為除了系統穩定度外,還有散熱的費用。

英飛凌的解決方案:第一個是采用CCM圖騰柱PFC,加上LLC軟開關的切換(如下圖)。圖騰柱部分用碳化硅,因為整個系統的效率只要求到96%,所以可以選性價比優化的CoolMOSTM第七代LLC。前文提到PFC可以達到99%,用了LLC的架構(可以達到97%),所以整體效率可以達到96%。

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第二個方案是:如果客戶的要求更高,也可以全部用碳化硅(PFC和LLC)。所以無論是PFC還是LLC,效率都達到99%,整個系統的效率會達到98%,這是以前所達不到的。

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2)5G電源的小基站

小基站通常在室外,很少有人去維護,也沒有風扇;而且電源功率很高,電源的瓦特數一般在300~1300W。這對于有高堅固性、可靠性和良好散熱性的碳化硅產品十分適合。      

在散熱方面,碳化硅的散熱系數比硅優越約3倍,所以溫升會更低。

英飛凌推薦的方案,PFC還是用圖騰柱的設計。LLC為97%,整體效率還是96%。這是在平衡它的性能之后達到96%(如下圖)。而且它的適用環境、溫度范圍比較寬,可能在戶外是零下攝氏度,可能工作溫度會上升到100℃。

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3)其它儲能系統

它們的瓦特數從(1~50)kW。在設計方面,因為一些產品要放在家里(如下圖),也希望將體積做小,將效率提高。碳化硅也有望應用進來,優勢是效率高、體積小、外部零件少。

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3 產品規劃:將出爐等封裝型號

英飛凌的650V碳化硅產品兼顧高性能、堅固性和易用性的獨特優勢。

CoolSiC MOSFET現在只有8款產品,預計在2021會有新產品,會擴展到50個型號以上,以滿足在不同的應用場景,可選擇不同的封裝。

那么,英飛凌在未來的新產品中,為何要推出新的封裝?因為SMD封裝是適應目前開關電源領域高功率密度暨小型化的發展趨勢,可進一步減小產品的尺寸。SMD封裝的技術難點在于如何將功率半導體產生的熱有效地散掉,一般地,SMD封裝的有效散熱面積相比傳統插件封裝會更小,這意味著散熱會更加困難。因此如何在有限地尺寸小將熱散出去,如何減小熱路熱阻,增加散熱路徑等是難點。

4 碳化硅的業界挑戰

1)需要馬拉松式的持續投資

碳化硅領域有很多競爭對手,包括中國新興的本土競爭對手。對于碳化硅行業,如何能持續投入高資金成本是個挑戰。因為這是一場長期的馬拉松賽,甚至是超級馬拉松。

英飛凌的優勢是除了在電源領域經營了多年,而且在硅、碳化硅領域投資了多年,累積的專業技術知識和能力很多。   

2)6英寸是主流,多家供應商供貨

目前碳化硅的主流工藝6,8碳化硅晶圓的生產目前還在規劃,短期可能還沒有8英寸的需求。

在產能方面,碳化硅的襯底產能在業界很緊俏。為了保障供貨的穩定安全,英飛凌對上游選取多個供應商。例如襯底,有5家供應商,有日本和美國的供應商,例如科銳(Cree)。

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關鍵詞: MOSEFT 碳化硅 SMD

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