华润微SiC SBD的优势及其在Boost PFC中的应用
2022-12-16 14:41:50

前言

 

碳化硅(SiC)材料是功率半导体行业主要进步发展方向,用于制作功率器件,可显著提高电能利用率。SiC器件的典型应用领域包括:新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网等现代工业领域,在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。

 

 

 

 一、 SiC的材料优势

 

碳化硅(SiC)作为宽禁带材料相较于硅(Si)具有很多优势,如表1所示:3倍的禁带宽度,有利于碳化硅器件工作在更高的温度;10倍的临界击穿电场,有利于碳化硅器件实现更高的耐压;更高的饱和电子漂移速度,有利于实现更快的开关速度;3倍的热导率,有利于提高器件散热效率。因此,碳化硅器件具有高耐压、低导通阻抗、开关速度快及热导率高等特性,有助于满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

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 二、 SiC的性能优势

 

1、SiC SBD可将耐压提高到3.3kV,极大扩展了SBD的应用范围

肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作,正向压降比PN结低。同时SBD是一种多数载流子导电器件,不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。目前主流Si SBD耐压均在200V以内,更高电压应用往往选择Si FRD,尽管FRD技术不断发展,但仍然无法完全消除反向恢复的问题。SiC的SBD可以将耐压提高到3.3kV,极大地扩展了SBD的应用范围。

 

2、SiC SBD开关损耗低,可提高系统效率

 

下图为相同规格的Si FRD和SiC SBD在不同温度下的反向恢复电流对比,其中SiC SBD是我司推出的SiC SBD产品,Si FRD是国际一线品牌主流的Si FRD产品。由数据可知,在常温25℃下,SiC SBD的反向恢复比Si FRD略好,当温度升高到125℃时,SiC SBD的反向恢复几乎不变,而Si FRD的反向恢复电流增加了两倍。

 

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图:(1)25℃下反向恢复对比

 

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图:(2)125℃下反向恢复对比

 

反向恢复电荷会增加系统损耗,当发生反向恢复时,反向恢复电流往往会流经开关器件,增加开关器件的开启损耗。采用双脉冲测试系统对开启损耗进行测试,结果如下图所示,常温25℃,采用SiC SBD开启损耗略好,但125℃时采用Si  FRD的开启损耗为SiC SBD的两倍。

 

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图:双脉冲测试不同温度开启损耗对比

 

3、SiC SBD可以降低电流尖峰,改善系统EMI

如前文所说,反向恢复电流会流经开关器件,从而增加开关器件开启过程的尖峰电流。在系统工作过程中,变化的电压信号和电流信号之间相互转换,在回路中形成干扰源,造成系统电磁兼容的问题。改善电磁兼容问题通常可以降低开关器件的工作速度以减小噪声源,但会降低系统效率;或者增加滤波网络、磁珠等器件,但会增加系统成本。而采用SiC SBD可以降低电流尖峰,从而减小干扰源。下图为SiC SBD替换Si FRD的EMI对比测试结果,曲线100MHz左右,SiC SBD比Si FRD低4dBuV左右,采用SiC SBD能够改善系统电磁兼容问题。

 

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图:EMI对比测试结果

 

4、SiC SBD具有正温度系数的导通电压,可提高并联使用的可靠性

 

二极管的导通损耗主要由正向导通电压VF值决定,当VF值越小,二极管导通损耗越小,但VF是与温度相关的参数。下图为实测的正向导通电压VF与温度关系曲线,在测试范围内,SiC SBD的VF值随温度升高而升高,为正温度系数;而Si FRD的VF值随温度升高而降低,为负温度系数。对于Si FRD,由于VF的一致性问题,VF越低的器件流经的电流越大,温度升高降低VF,导致电流集中在一颗器件上使器件发热失效;对于正温度系数的SiC SBD则不存在此问题,VF较小的器件流经的电流较大,温度升高后VF值升高,降低流经的电流,从而实现电流均衡分配,因此可并联使用。

 

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图:不同温度下的正向导通压降

 

 三、 SiC SBD 在Boost  PFC中的应用

 

Boost PFC作为Boost拓扑的一种典型应用,可以提高系统输入的功率因素,同时可以提供稳定的输出电压,常作为中间级用于各种领域的AC/DC电源中。主机电源应用环境恶劣,对电源效率、可靠性等参数要求较高,因此,选用750W的主机电源对SiC SBD和Si FRD进行对比测试。

 

如下图所示,其中CR Micro(SiC SBD)是我司的SiC SBD产品,Comp. A是国际一品牌同规格SiC SBD产品,而Comp. B是国际一线品牌的Si FRD。常温下,在整个功率范围内,CR Micro和Comp. A的SiC SBD效率相当,比Comp. B的Si FRD效率高0.24%左右,如果器件温度提高到125℃,效率最高可以提高0.832%。

 

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图:常温下效率曲线对比

 

系统运行过程中,二极管反向恢复的电流流经开关器件,因此除了对系统效率的影响,对开关器件的温升影响较大。下图是系统效率和开关器件温升对比图形,其中柱形图是开关器件的温度,曲线为系统的效率,横坐标为运行时间。由图可知,随着运行时间的拉长,系统温度在升高,SiC SBD和Si FRD的效率差距在不断拉大,并且采用Si FRD的开关器件的温度较高。运行时间300s时,SiC SBD比Si FRD的效率高0.4%左右,Si FRD的开关器件温度高了9.3℃。

 

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图:开关器件的温升

 

综上,SiC SBD无反向恢复、能并联使用等特性使其在替换Si FRD时具有明显的优势。没有反向恢复,减小反向恢复带来的开关损耗从而提高系统效率,同时避免反向恢复引起的振荡,改善系统的EMI;具有正温度系数的导通电压,有利于器件并联使用过程中的均流,提高并联使用的可靠性。通过在产品设计中合理选择SiC SBD,可以提高产品性能,降低产品的综合成本。

 

作为国内功率半导体行业的龙头企业,华润微电子在宽禁带半导体领域匠心深耕,利用全产业链优势,从产品设计、制造工艺、封装技术和系统应用等方面大力推进SiC器件产品产业化。华润微SiC SBD系列产品具有可媲美国际先进水平的卓越产品性能,均已实现量产和稳定销售,主要应用于新能源汽车、充电桩、工业电源、光伏逆变、通讯电源等大功率、高频、高效率领域。

 

附:华润微电子SiC SBD产品列表

 

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