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SiC功率元件

何謂SiC-MOSFET

與IGBT的區別

上一章針對與Si-MOSFET的區別,介紹了關於SiC-MOSFET驅動方法的兩個關鍵要點。本章將針對與IGBT的區別進行介紹。

與IGBT的區別:Vd-Id特性

Vd-Id特性是電晶體最基本的特性之一。下面是25℃和150℃時的Vd-Id特性。

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請看25℃時的特性圖表。SiC及Si MOSFET的Id相對Vd(Vds)呈線性增加,但由於IGBT有上升電壓,因此在低電流範圍MOSFET元件的Vds更低(對於IGBT來說是集極極電流、集極極-射極極間電壓)。不言而喻,Vd-Id特性也是導通電阻特性。根據歐姆定律,相對Id,Vd越低導通電阻越小,特性曲線的斜率越陡,導通電阻越低。

IGBT的低Vd(或低Id)範圍(在本例中是Vd到1V左右的範圍),在IGBT中是可忽略不計的範圍。這在高電壓大電流應用中不會構成問題,但當用電裝置的功率需求從低功率到高功率範圍較寬時,低功率範圍的效率並不高。

相比之下,SiC MOSFET可在更寬的範圍內保持低導通電阻。

此外,可以看到,與150℃時的Si MOSFET特性相比,SiC、Si-MOSFET的特性曲線斜率均放緩,因而導通電阻增加。但是,SiC-MOSFET在25℃時的變動很小,在25℃環境下特性相近的產品,差距變大,溫度增高時SiC MOSFET的導通電阻變化較小。

與IGBT的區別:關斷損耗特性

前面多次提到過,SiC功率元件的開關特性優異,可處理大功率並高速開關。在此具體就與IGBT開關損耗特性的區別進行說明。

眾所周知,當IGBT的開關OFF時,會流過元件結構引起的尾(tail)電流,因此開關損耗增加是IGBT的基本特性。

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比較開關OFF時的波形可以看到,SiC-MOSFET原理上不流過尾電流,因此相應的開關損耗非常小。在本例中,SiC-MOSFET+SBD(蕭特基二極體)的組合與IGBT+FRD(快速恢復二極體)的關斷損耗Eoff相比,降低了88%。

還有重要的一點是IGBT的尾電流隨溫度升高而增加。順便提一下,SiC-MOSFET的高速驅動需要適當調整外接的閘極電阻Rg。這在前文“與Si-MOSFET的區別”中也提到過。

與IGBT的區別:導通損耗特性

接下來看開關導通時的損耗。

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IGBT在開關導通時,流過Ic(藍色曲線)用紅色虛線圈起來部分的電流。這多半是二極體的恢復電流帶來的,是開關導通時的一大損耗。請記住:在並聯使用SiC-SBC時,加上恢復特性的快速性,MOSFET開關導通時的損耗減少;FRD成對時的開關導通損耗與IGBT的尾電流一樣隨溫度升高而增加。

總之,關於開關損耗特性可以明確的是:SiC-MOSFET優於IGBT。

另外,這裡提供的資料是在ROHM試驗環境下的結果。驅動電路等條件不同,結果也可能不同。

重點:

・SiC-MOSFET在Vd-Id特性方面,導通電阻特性的變化呈直線型,因此在低電流範圍優於IGBT。

・SiC-MOSFET的開關損耗大大低於IGBT。


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