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  • SiC MOSFET的橋式結構圖文解析
    • 發布時間:2022-04-01 15:21:50
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    SiC MOSFET的橋式結構圖文解析
    20 世紀90 年代以來,碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET 技術的迅速發展,引起人們對這種新一代功率器件的廣泛關注。與Si 材料相比,碳化硅材料較高的熱導率決定了其高電流密度的特性,較高的禁帶寬度又決定了SiC 器件的高擊穿場強和高工作溫度。
    尤其在SiC MOSFET 的開發與應用方面,與相同功率等級的Si MOSFET 相比,SiC MOSFET 導通電阻、開關損耗大幅降低,適用于更高的工作頻率,另由于其高溫工作特性,大大提高了高溫穩定性。但由于SiC MOSFET 的價格相當昂貴,限制了它的廣泛應用。
    SiC材料與目前應該廣泛的Si材料相比,較高的熱導率決定了其高電流密度的特性,較高的禁帶寬度又決定了SiC器件的高擊穿場強和高工作溫度。其優點主要可以概括為以下幾點:
    1) 高溫工作
    SiC在物理特性上擁有高度穩定的晶體結構,其能帶寬度可達2.2eV至3.3eV,幾乎是Si材料的兩倍以上。因此,SiC所能承受的溫度更高,一般而言,SiC器件所能達到的最大工作溫度可到600 oC。
    2) 高阻斷電壓
    與Si材料相比,SiC的擊穿場強是Si的十倍多,因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。
    3) 低損耗
    一般而言,半導體器件的導通損耗與其擊穿場強成反比,故在相似的功率等級下,SiC器件的導通損耗比Si器件小很多。且SiC器件導通損耗對溫度的依存度很小,SiC器件的導通損耗 隨溫度的變化很小,這與傳統的Si器件也有很大差別。
    4) 開關速度快
    SiC的熱導系數幾乎是Si材料的2.5倍,飽和電子漂移率是Si的2倍,所以SiC器件能在更高的頻率下工作。
    綜合以上優點,在相同的功率等級下,設備中功率器件的數量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小,同時效率也有大幅度的提升。
    SiC MOSFET的橋式結構
    下面給出的電路圖是在橋式結構中使用SiC MOSFET時最簡單的同步式boost電路。
    該電路中使用的SiC MOSFET的高邊(HS)和低邊(LS)是交替導通的,為了防止HS和LS同時導通,設置了兩個SiC MOSFET均為OFF的死區時間。右下方的波形表示其門極信號(VG)時序。
    SiC MOSFET 橋式結構
    SiC MOSFET 橋式結構
    該電路中HS和LS MOSFET的Drain-Source電壓(VDS)和漏極電流(ID)的波形示意圖如下。這是電感L的電流處于連續動作狀態,即所謂的硬開關狀態的波形。
    橫軸表示時間,時間范圍Tk(k=1~8)的定義如下:
    T1: LS為ON時、MOSFET電流變化的時間段
    T2: LS為ON時、MOSFET電壓變化的時間段
    T3: LS為ON時的時間段
    T4: LS為OFF時、MOSFET電壓變化的時間段
    T5: LS為OFF時、MOSFET電流變化的時間段
    T4~T6: HS變為ON之前的死區時間
    T7: HS為ON的時間段(同步整流時間段)
    T8: HS為OFF時、LS變為ON之前的死區時間
    SiC MOSFET 橋式結構
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