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英飞凌新一代650V碳化硅MOSFET的性能和应用分析

—— 650V CoolSiC MOSFET带来了坚固可靠性和高性能
作者:王莹时间:2020-05-06来源:电子产品世界收藏

2020年2月,的领导厂商之一英飞凌祭出了650V CoolSiC MOSFET,带来了坚固可靠性和高性能。它是如何定义性能和应用场景的?下一步产品计划如何?业的难点在哪里?为此,电子产品世界等媒体视频采访了英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源先生。

本文引用地址:/article/202005/412732.htm

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英飞凌科技 电源与传感系统事业部大中华区 开关电源应用高级市场经理 陈清源

据悉,此次英飞凌推出了8款650V CoolSiC MOSFET产品,采用2种插件TO-247封装,既可采用典型的TO-247 三引脚封装,也支持开关损耗更低的TO-247 四引脚封装(如下图)。

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从静态导通电阻 RDS(on) 的角度来看,英飞凌有4款产品:(27~107)mΩ。当然这是第一个阶段,接下来,英飞凌会再推出更多的封装(例如封装)来满足不同领域的应用。

目前该产品的目标市场,主要是服务器/数据中心用的电源,还有通讯电源,例如4G、5G的大基站、小基站用电源,此外,还有工业电源、光伏、充电桩、UPS(不间断电源系统),以及能源储存。这些目标市场今后增长都将非常快速。

1 应该具备哪些功能和性能

上文所述的电源设计,要考虑到坚固性和可靠性。例如通讯电源往往需要使用10年以上,服务器与数据中心也大概要5~10年。另外,应用工程师对于可能没那么熟悉,所以在碳化硅的设计上,也要做到易用性。在技术指标上,需要热导系数优良,适合高温场景,栅极氧化层采用沟槽形式以提升可靠性。

1)如何支持坚固性和可靠性

   新产品在栅极氧化层的可靠度方面做了很多优化。因此,它目前的坚固度已经很成熟了,媲美IGBT与CooIMOS的FIT率。

   为了防止“误导通”,英飞凌把 VGS(TH) 重新设计在大于4V上,这样可以降低一些噪音进来而引发的“误导通”。

   在一些特殊的拓扑,例如CCM图腾柱的拓扑,有硬换向的体二极管。

  抗雪崩方面,由于电源的应用环境可能会出现杂讯,或电源电压不稳定(可能会超过额定电压650V),所以新产品具有抗雪崩能力,以防止不适当使用所造成的器件或电源的损坏。

   有抗短路的能力。

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2)易用性

凭借以往与业界电源的领导厂商合作,英飞凌把 VGS 电压范围放宽。在0V电压可以关断 VGS ,就不会到负电压,因此不会像氮化镓要做一个负电压,造成整个电路的负担。

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那么,如何实现上述特点?650V CoolSiC MOSFET做了如下工作。

1)碳化硅的热导系数优良,适合高温场景

碳化硅比硅和氮化镓的热导系数好。例如在100℃的 RDS(on) 变化,碳化硅比硅少了32%,比氮化镓少了26%。好处是可以降低用户的设计成本,这也是为什么碳化硅往往被用于高温场景的原因(如下图)。

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2)栅极氧化层采用沟槽式,以提高性能和可靠性

栅极氧化层是设计的难点之一。在碳化硅的前端工艺方面,业界主要有2种方法:平面式,沟槽式。英飞凌采用的是沟槽式。因为沟槽式是未来的大势所趋:平面式在导通状态下,性能与可靠性之间需要很大的折衷;沟槽式更容易达到性能要求而不偏离栅极氧化层的安全条件。

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不过,沟槽式的生产会更为复杂,因为它的栅极氧化层比较薄,需要兼顾耐用性。然而,英飞凌已有20年的碳化硅的经验积累,无论是控制良率,还是控制稳定性,都很有经验。

3)适合硬换向的拓扑,可以达到更高的效率

对于硬换向的拓扑,有 Qrr和Qoss两个重要的参数。英飞凌的Qrr是远低于硅器件的体二极管。Qoss的参数更低(如下图)。

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值得一提的是,其他友商的产品也会涉及到RDS(on)*Qrr, RDS(on)*Qoss。但英飞凌的参数值最低,可见英飞凌在此技术上是领先的。甚至有些供应商不标明RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss,这会对工程师在设计上造成很大的困难。

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4)PFC图腾柱可提高功率密度及效率

因为在 Qrr和Qoss等参数上的值更小,所以新的650V CoolSiC MOSFET非常适合CCM PFC图腾柱等硬换向拓扑,可以达到很高的效率,例如用了48mΩ,效率可以在PFC达到 99%。而以往的硅技术,是很难做到的。

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实际上,图腾柱在高压电源转换里并不是很新的结构,就是桥式拓扑结构。这种结构在低压的电源转换里是很常见的。但在高压里,则受限于常用的一些器件所谓的“反向恢复特性”,例如大功率转换里常用的超级结的硅器件。

而现在的新材料,例如碳化硅,本身的“反向恢复速度”很快,在用这种图腾柱结构时,如果是处于“软开关”的情况之下,或者由于一些条件导致体二极管导通电流,又会突然再反向,这时,碳化硅比常见的硅材料“反向恢复速度”快很多,就可以用到以前在超级结时无法使用的图腾柱结构。

那么,图腾柱能提供多高的功率效率?这要看在什么样的电压条件及功率范围。目前图腾柱做的3kW PFC在220V的输入条件下,可以轻松做到(满载)98%以上甚至98.5%以上的效率。

5)若配合英飞凌的驱动IC,可以让整个性能更加优化,设计的稳定度更好。当然,如果有的客户基于成本的考量,不需要到99%,只要97%、96%就足够了,英飞凌还有其它的选项,例如72mΩ、107mΩ等(如下图)。

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2 应用案例

650V CoolSiC MOSFET适合应用在哪些场景呢?以下介绍大型数据中心、5G小基站、其它储能系统。

1)大型数据中心

大型数据中心的标准功率密度约是平均每个机架3kW。系统厂商希望效率越高越好,通常要超过96%。因为除了系统稳定度外,还有散热的费用。

英飞凌的解决方案:第一个是采用CCM图腾柱PFC,加上LLC软开关的切换(如下图)。图腾柱部分用碳化硅,因为整个系统的效率只要求到96%,所以可以选性价比优化的CoolMOSTM第七代LLC。前文提到PFC可以达到99%,用了LLC的架构(可以达到97%),所以整体效率可以达到96%。

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第二个方案是:如果客户的要求更高,也可以全部用碳化硅(PFC和LLC)。所以无论是PFC还是LLC,效率都达到99%,整个系统的效率会达到98%,这是以前所达不到的。

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2)5G电源的小基站

小基站通常在室外,很少有人去维护,也没有风扇;而且电源功率很高,电源的瓦特数一般在300~1300W。这对于有高坚固性、可靠性和良好散热性的碳化硅产品十分适合。      

在散热方面,碳化硅的散热系数比硅优越约3倍,所以温升会更低。

英飞凌推荐的方案,PFC还是用图腾柱的设计。LLC为97%,整体效率还是96%。这是在平衡它的性能之后达到96%(如下图)。而且它的适用环境、温度范围比较宽,可能在户外是零下摄氏度,可能工作温度会上升到100℃。

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3)其它储能系统

它们的瓦特数从(1~50)kW。在设计方面,因为一些产品要放在家里(如下图),也希望将体积做小,将效率提高。碳化硅也有望应用进来,优势是效率高、体积小、外部零件少。

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3 产品规划:将出炉等封装型号

英飞凌的650V碳化硅产品兼顾高性能、坚固性和易用性的独特优势。

CoolSiC MOSFET现在只有8款产品,预计在2021会有新产品,会扩展到50个型号以上,以满足在不同的应用场景,可选择不同的封装。

那么,英飞凌在未来的新产品中,为何要推出新的封装?因为SMD封装是适应目前开关电源领域高功率密度暨小型化的发展趋势,可进一步减小产品的尺寸。SMD封装的技术难点在于如何将功率半导体产生的热有效地散掉,一般地,SMD封装的有效散热面积相比传统插件封装会更小,这意味着散热会更加困难。因此如何在有限地尺寸小将热散出去,如何减小热路热阻,增加散热路径等是难点。

4 碳化硅的业界挑战

1)需要马拉松式的持续投资

碳化硅领域有很多竞争对手,包括中国新兴的本土竞争对手。对于碳化硅行业,如何能持续投入高资金成本是个挑战。因为这是一场长期的马拉松赛,甚至是超级马拉松。

英飞凌的优势是除了在电源领域经营了多年,而且在硅、碳化硅领域投资了多年,累积的专业技术知识和能力很多。   

2)6英寸是主流,多家供应商供货

目前碳化硅的主流工艺68碳化硅晶圆的生产目前还在规划短期可能还没有8英寸的需求

在产能方面,碳化硅的衬底产能在业界很紧俏。为了保障供货的稳定安全,英飞凌对上游选取多个供应商。例如衬底,有5家供应商,有日本和美国的供应商,例如科锐(Cree)。

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关键词: MOSEFT 碳化硅 SMD

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