前兩篇文章我們分別探討了SiC MOSFET的驅動電壓,以及SiC器件驅動設計中的寄生導通問題。本文作為系列文章的第三篇,會從SiC MOS寄生電容損耗與傳統Si MOS作比較,給出分析和計算過程,供設計工程師在選擇功率開關器件時參考!
電力電子行業功率器件的不斷發展,第三代半導體(SiC,GaN)代替硅半導體已經是大勢所趨。
由于Si MOSFET其輸入阻抗高,隨著反向耐壓的提高,通態電阻也急劇上升,從而限制了在高壓大電流場合的應用。為了進一步提高開關電源的效率,迫切需要一種能承受足夠高耐壓和極快開關速度,且具有很低導通電阻和寄生電容的功率半導體器件。
SiC MOSFET有極其低的導通電阻RDS(ON),導致了極其優越的正向壓降和導通損耗, 并且具有相當低的柵極電荷和非常低的漏電流,能適合超快的開關速度,更適合高電壓大電流高功率密度的應用環境。
我們都知道開關電源的頻率越高,每秒開關管改變狀態的次數就越多,開關損耗和與開關頻率成正比。
富昌電子在長期的電源電路研究中發現:開關電源中所有與開關頻率有關的損耗,最顯著的往往是開關管自身產生的損耗。
本文從MOSFET的寄生電容的角度,結合BOOST PFC電路對Si MOSFET和SiC MOSFET展開討論。
對于功率MOSFET寄生電容,在開關轉換的階段,MOSFET柵極表現為一個簡單的輸入電容。通過驅動電阻 充電或放電。實際上,柵極對漏極和原極之間發生的事情“漠不關心”。功率MOSFET可等效為下圖:
從驅動信號角度去觀察柵極,有效輸入充電電容Cg是Cgs與Cgd并聯:
因此,柵極電容充放電循環的時間常數為:
從這個公式來看,似乎暗示著MOSFET導通和關斷時的驅動電阻是一樣,實際上兩者有比較大的差別,那是因為,我們希望導通時的速率稍慢,而關斷時的速率稍快的原因。
MOSFET的寄生電容在交流系統中的表示方法為:有效輸入電容Ciss,輸出電容Coss,反向傳輸電容Crss. 它們都與MOSFET寄生電容有關:
通常也會寫成:
為了在同條件下比較Si MOSFET 和 SiC MOSFET的寄生結電容對高頻電源效率的影響。我們用全電壓輸入,輸出500w,工作頻率75kHz的PFC電路來做比較,選擇onsemi, SI MOSFET FQA6N90C 和 SiC MOSFET NTHL060N090SC1來完成該對比。
富昌電子在研究過程中了解到,輸出功率達到500W,Si MOSFET 需要兩個MOS 并聯才能滿足設計要求,本文中我們暫且忽略這個差別,先從單個的SI MOSFET和SiC MOSFET來做比較。
靜態寄生參數對比:
FQA6N90C (SI MOSFET)
(點擊下圖可查看大圖)
NTHL060N090SC1(SiC MOSFET):
(點擊下圖可查看大圖)
在實際MOSFET 工作過程中的電壓和電流波形如下:
MOSFET的導通過程中的驅動損耗在 t1+ t2+ t3 +t4時間內產生,而交叉時間僅為:t2+ t3,關斷過程中的驅動損耗在 t6+ t7+ t8 +t9時間內產生,而交叉時間僅為:t7+ t8 。
假設MOSFET門極的驅動電阻為10歐姆,關斷電阻為5歐姆,可得FQA6N90C時間常數Tg:
導通過程T2的周期時間為:
導通過程T3的周期時間為:
因此導通過程中的交叉時間為:
導通過程的交叉損耗為:
同理關斷過程交叉損耗為:
總的交叉損耗為:
寄生電容C_ds,因為它不和柵極相連,因此不影響到MOSFET導通過程中的V-I交叉損耗。但是,該電容在MOSFET關斷時充電,在MOSFET導通時把儲能全部傾瀉到MOSFET中。因此在計算MOSFET的損耗時,該電容不能忽略,特別在離線式的AC-DC的電源中,該寄生電容嚴重影響到電源的效率。在低壓輸入的電源中,該電容對效率的影響表現的不是很明顯。
可得FQA6N90C寄生電容總損耗為:
相同的計算過程可得,NTHL060N090SC1 SIC MOSFET寄生電容總損耗為:
富昌電子研究結論:在同樣輸入和輸出的電參數,封裝幾乎相同的條件下,比較Si Mosfet和SiC Mosfet寄生電容帶來的損耗可知,SiC節省了60%的寄生損耗。如果采取兩顆Si MOFET并聯,達到輸出500W PFC的設計目的,Si MOFET寄生電容的損耗是SiC的3.07倍。
總結
本文針對MOS的寄生電容做出了分析,并選用onsemi同等功率的SiC與SiMOST進行了設計比較。這部分的損耗,只是電路實際工作過程中MOSFET損耗的一部分,MOSFET的損耗分析稍顯復雜, 此處沒有展開探討,富昌電子后續會連載文章,剖析電路設計中的難點。敬請期待!
審核編輯:劉清
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原文標題:SiC設計分享(三):SiC MOSFET 和Si MOSFET寄生電容在高頻電源中的損耗對比
文章出處:【微信號:富昌電子,微信公眾號:富昌電子】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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