SiC碳化硅MOSFET功率模块及SiC-MOSFET单管在充电桩电源模块中的应用

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IGBT芯片技术不断发展，但是从一代芯片到下一代芯片获得的改进幅度越来越小。这表明IGBT每一代新芯片都越来越接近材料本身的物理极限。SiC MOSFET宽禁带半导体提供了实现半导体总功率损耗的显著降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低开关损耗，从而提高开关频率。进一步的，可以优化滤波器组件，相应的损耗会下降，从而全面减少系统损耗。通过采用低电感SiC MOSFET功率模块，与同样封装的Si IGBT模块相比，功率损耗可以降低约70%左右，可以将开关频率提5倍（实现显著的滤波器优化），同时保持最高结温低于最大规定值。

未来随着设备和工艺能力的推进，更小的元胞尺寸、更低的比导通电阻、更低的开关损耗、更好的栅氧保护是SiC碳化硅MOSFET技术的主要发展方向，体现在应用端上则是更好的性能和更高的可靠性。
为此，BASiC™国产SiC碳化硅MOSFET功率器件供应商-基本公司™研发推出更高性能的第三代碳化硅MOSFET，该系列产品进一步优化钝化层，提升可靠性，相比上一代产品拥有更低比导通电阻、器件开关损耗，以及更高可靠性等优越性能，可助力光伏储能、新能源汽车、直流快充、工业电源、通信电源、伺服驱动、APF/SVG、热泵驱动、工业变频器、逆变焊机、四象限工业变频器等行业实现更为出色的能源效率和应用可靠性。

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01 什么是米勒现象

 

- 在桥式电路中，功率器件会发生米勒现象，它是指当一个开关管在开通瞬间，使对管的门极电压出现快速升高的现象。

 

- 该现象广泛存在于功率器件中，包括IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET。

 

- 原理分析：当下管Q2保持关闭，在上管Q1开通瞬间，桥臂中点电压快速上升，桥臂中点dv/dt的水平，取决于上管Q1的开通速度。该dv/dt会驱动下管Q2的栅漏间的寄生电容Cgd流过米勒电流Igd；Igd=Cgd*（dv/dt），dv/dt越大，米勒电流Igd越大。

 

- 米勒电流Igd（红色线）的路径：Cgd→Rgoff→T4 →负电源轨，产生左负右正的电压。

 

- Vgs=Igd*Rgoff+负电源轨，这个电压叠加在功率器件门极，Vgs会被抬高，当门极电压超过Vgsth，将会使Q2出现误开通，从而造成直通现象。

 

 

 

02 如何反制米勒现象

 

- 使用门极电压的负压进行负偏置，使负压足够“负”。

 

- 提高器件门极的门槛电压（设计选型时选高Vgsth的器件）。

 

- Rgoff数值减小（Rgoff是米勒现象影响程度的主要贡献者之一，数值越大，米勒现象越糟糕）。

 

- 减慢功率器件的开通速度。

 

- 使用米勒钳位功能。

 

 

03 IGBT与SiC MOSFET对于米勒钳位的需求

 

以下表格为硅IGBT/ MOSFET和碳化硅MOSFET的具体参数和性能数值对比。

- 驱动芯片的米勒钳位脚（Clamp）直接连接到SiC MOSFET的门极，米勒电流Igd（红色线）会流经Cgd→Clamp脚→T5到负电源轨，形成了一条更低阻抗的门极电荷泄放回路。

 

- 驱动芯片内部比较器的翻转电压阈值为2V（参考负轨），在SiC MOSFET关断期间，当门极电压低于-2V（负轨为-4V）时，内部比较器翻转，MOSFET (T5)被打开, 使得门极以更低阻抗拉到负电源轨，从而保证SiC MOSFET达到抑制误开通的效果。

 

 

04 米勒钳位作用//双脉冲平台实测对比

 

测试条件：上管V_GS=0V/+18V,下管V_GS=0V；V_DS=800V；I_D=40A；R_g=8.2Ω；L_load=200uH；T_a=25℃

无米勒钳位

有米勒钳位

结论

 

 

 

 

测试条件：上管V_GS=-4V/+18V,下管V_GS=-4V；V_DS=800V；I_D=40A；R_g=8.2Ω；L_load=20uH；T_a=25℃

无米勒钳位

 

有米勒钳位

结论

 

 

05 单通道带米勒钳位隔离驱动BTD5350Mx系列介绍

产品特性

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

专门用于驱动SiC MOSFET的门极驱动芯片

 

副方驱动器带米勒钳位功能脚Clamp

 

驱动器输出峰值电流可达10A

 

驱动器电源全电压高达33V

 

副方驱动器电源欠压保护点: 8V/11V

 

封装类型: SOW-8(宽体)/SOP-8(窄体)

 

典型应用

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

工业电源

 

锂电池化成设备

 

商业空调

 

通信电源

 

光伏储能一体机

 

焊机电源

 

06 双通道带米勒钳位隔离驱动BTD25350xx

 

产品特性

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

专门用于驱动SiC MOSFET的门极驱动芯片

 

原方带使能禁用脚DIS，死区时间设置脚DT

 

副方驱动器带米勒钳位功能脚Clamp

 

驱动器输出峰值电流可达10A

 

驱动器电源全电压高达33V

 

原副方封装爬电间距大于8.5mm，绝缘电压可以5000Vrms

 

副方两驱动器爬电间距大于3mm，支持母线工作电压VDC=1850V

 

副方驱动器电源欠压保护点：8V/11V

 

封装类型: SOW-18

 

应用方向

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

充电桩中后级LLC用SiC MOSFET 方案

 

光伏储能BUCK-BOOST中SiC MOSFET方案

 

高频APF，用两电平的三相全桥SiC MOSFET方案

 

空调压缩机三相全桥SiC MOSFET方案

 

OBC后级LLC中的SiC MOSFET方案

 

服务器交流侧图腾柱PFC高频臂GaN或者SiC方案