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MOSFETs

Wolfspeed 数据手册解读

Marco Atzeri
Oct 14, 2021
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如何清晰解读Wolfspeed碳化硅MOSFET和肖特基二极管数据手册中的重要细节 

在设计选择过程中,通常会在选型之前快速查看数据手册和用户指南。然而,根据应用场合的不同,更详细地研究其中的一些特性可能会使设计人员有更清晰的认识。  

本文将重点讨论如何解读Wolfspeed碳化硅MOSFET和肖特基二极管的数据手册,它们有很多不应被忽视的重要细节。这些例子中使用的碳化硅(SiC)MOSFET和二极管分别是C3M0040120D和C4D30120D。 

碳化硅器件的简要概述 

为了节省时间,最好先关注关键参数,这些通常会出现在第一页。这些参数可能包括最大电流、额定电压、MOSFET的RDS(on)值和SiC体二极管的QRR。如果实际应用需要快的反向恢复和小的  QRR等特定参数,可以快速浏览一下这些特性。 

第二页概述了电气特性(大多数是25˚C环境温度)。本节中最重要的参数之一是温度限值(外壳温度、体二极管温度和热阻),实际的温度由器件的散热方式决定。 

其他特性包括开/关时间和延迟、总栅极电荷QG(MOSFET),这些参数在高频率开关中有很大的影响。在设计栅极驱动时,阈值电压VGS,TH  和驱动的供电电压是非常重要的。 

在查看最大额定值时,应该注意,除非另有规定,否则所有的值均为环境温度25℃下数据。此外,测试条件可能会与运行条件不同。并且注意下额定值的注释,因为它可能会影响你的设计或者为你指出相关的特性图表。 

以下几页将提供在特定测试条件下性能的图表。这也很重要,因为它会提供一个方便的图表,注意在其中与您的应用相似的特定条件下,器件将如何运行。 

数据手册最后的信息将包括测试电路图(双脉冲测试)和推荐的焊盘及封装尺寸等信息。最后,技术支持的链接可能被放在最下面,设计人员打开链接可以看到电子应用的注释和其他相关资料。二极管模型可以用于SiC肖特基二极管。 

碳化硅MOSFET的额定值和特性 

对于SiC MOSFET,有三个最大电压额定值需要注意。第一个是VDS,MAX,这是漏-源极电压的最大允许峰值。通常建议应用的最大电压不应超过最大额定电压的80%~90%,以确保良好的可靠性。VGS,MAX是动态条件下的栅源电压的最大峰值。这对设计驱动电路很重要,也不应该超过80%~90%。VGS,OP是开关之间栅源电压的最大允许静态值。图1描述了VGS动态和静态参数与实际波形的对应关系。 

图1: 碳化硅MOSFET的VGS开关特性

全温度范围内的连续漏极电流值如下图(图2),会随温度降额,并且受耗散功率PD、导通电阻RDS(on)和连接线尺寸的限制。设计的最差情况下的连续有效值电流不能超过这个额定值。脉冲漏极电流与晶圆的能量限制相一致,其持续时间受外壳TC、结温TJ,MAX、温度和瞬态热电阻(ZTH)的限制。考虑到功率损耗、热阻抗和脉冲定时特性,定义出安全运行区域(图2所示)。对于这两个电流值,温度都是电流的函数,设计人员需要在器件的结温和连续电流之间平衡。

图2:连续漏极电流降额vs.外壳温度(左)和安全运行区域(右)

在回流焊组装的情况下,应该注意器件的最大焊接温度,器件只能承受这个最大温度10秒或更短时间。 

电压和电流的电特性与结温直接相关。例如,VGSth会随着温度的升高而下降(如图3所示),进而可能引入误开启的风险,降低整体可靠性。RDS(on)也随结温升高而升高,随栅极电压而降低。对于SiC元件,RDS(on)、温度和栅极电压的关系比传统的Si MOSFET要“平坦”得多,这将减少失控条件的风险。 

图3: SiC MOSFET的阈值电压与结温之间的关系,表明在较高温度下存在潜在的误启动

当考虑某些MOSFET的典型应用时,例如半桥结构时,开关能量是很重要的。EON和EOFF表示开关转换过程中的能量耗损,并与开关频率成线性关系。与只使用体二极管的设计相比,并联使用SiC肖特基二极管所损失的能量更少。此外,外部栅极电阻将对这些额定值产生重要影响,因此需要注意的是,每个相应的图与一组特定的条件相关,包括栅极电阻。对于时间特性(例如开/关时间和延迟)也是如此(参见图4)。请注意测试条件及实际应用条件。 

图4: SiC MOSFET的最大栅源电压VGS与开关时间的关系

根据器件的结构和内部优化,内部栅极电阻(不要与栅极引脚上安装的的外部电阻混淆)取值变化很大,1~10Ω不等。此外,Qg(以nC表示)本质上描述了在完全导通之前器件需要充电多少,与之前一样,将取决于测试或工作条件,如VDS, VGS和IDS。 

体二极管的特性(如图5所示)描述了当电流从源极流向漏极时器件的变化,例如体二极管的正向电压和电流。反向恢复电荷(Qrr)是在反向恢复时间(trr)内p-n结必须扫出的总电荷,而反向恢复峰值电流与流入节点的电流量有关。器件关断时,适当的控制di/dt,这也是重要的。

图5: SiC MOSFET体二极管特性(左)和反向恢复(右)

热特性需要注意,不同的散热器及散热方式对器件的整体性能有重大影响。过度设计散热片会导致体积和费用的浪费,而设计的散热片过少则会限制性能并影响可靠性。 

6展示了VDS, IDS和VGS之间的典型关系(并非线性关系)。最好是在15V VGS下运行三代碳化硅MOSFET。 

图6:在不同的栅极电压下漏极电流和漏-源极电压的关系

解读SiC二极管数据手册 

尽管碳化硅肖特基二极管可以与碳化硅MOSFET一起工作,但其结构是不同的,有很多其他特性需要考虑。在一个封装中可以有一个或两个二极管,所以规格书內部分的值会是里面的一个二极管值,而其他值则代表整个封装。就最大值而言,提供的电压通常会比雪崩值多出一定的余量(1200V额定器件大概是1600 V~1700 V)。虽然这些值比传统硅高得多,但它们仍然受到结温的影响。连续正向电流也受到结温的影响(在MOSFET中可见),它随着温度和占空比的增加而降额(见7)。峰值电流额定值根据二极管的工作波形的形状不同而不同。IFRM是正弦半波波形的正向重复峰值电流,而IFSM是特定宽度的单个正弦半波的正向不重复峰值电流。IF,MAX是特定宽度脉冲的正向不重复峰值电流,通常是三个峰值电流值中的最高值。 

图7:开关过程中SiC二极管相对于温度和占空比的电流降额 

器件的最大功率损耗与环境温度成线性关系,Vf也会随着结温的升高而增加,如果数据手册中的图表不能覆盖您的应用,Wolfspeed可以提供每个组件的PLECS模型。SiC二极管的能量将被表示为I2t,并转换为在特定时间段内在特定的外壳温度(TC)下所能吸收的最大能量。这类似于保险丝的熔断能量。 

二极管常见的故障是当超出dv/dt最大值时,反向不再有阻断作用。这一特性取决于外部电路和器件的开关方式。过快的开关行为可能导致偶尔的dv/dt瞬变或超过安全裕度,进而导致器件故障,并有可能损坏其他组件。相对MOSFET和IGBT, 碳化硅二极管的典型dv/dt值 (200 V/ns) 更大些,在使用过程中如果有可能超过这个值,应该考虑其可靠性。 

二极管的正向压降与正向电流和结温(TJ)直接相关,如8所示。VF会随着温度的升高而增加,这有助于器件的并联。反向电流与VR、TJ有关,且随温度升高而增大。注意的是,这些值是利用通过二极管的电压脉冲测量的,以避免自发热。电容值表示的是当二极管反向偏置时存在于阴极和阳极之间的寄生电容或微分电容。温度对电容的影响非常有限,但了解各种运行条件和反向偏置(最高在0V)对容值的影响也是不错的。 

图8:碳化硅(SiC)二极管正向电压(左)和反向电压(右)特性

反向偏置时,由于二极管的寄生电容影响,反向恢复电流逐渐衰减到0。这种反向恢复损耗的特性随着结温的升高而变差,并在MOSFET和IGBT上产生额外的开关损耗。 

最后,二极管的热阻和碳化硅MOSFET的热阻非常类似,是从结点到外壳的热阻,可以在单个器件或内部并联两个的器件上观察到。同样,这对于散热方法的评估和运行过程中的结温是非常重要的。Z0JC,即瞬态热阻抗曲线,同时考虑了材料的热阻和热容。图9展示了碳化硅(SiC)二极管和碳化硅MOSFET的这一特性。

图9: 碳化硅(SiC)器件瞬态热阻抗(左边是SiC二极管,右边是SiC MOSFET)

结论 

碳化硅(SiC)数据手册中列出了很多额定值和特性,了解这些额定值是如何影响您的设计是有好处的。与Si或IGBT等传统结构相比,尽管SiC有很很多优势,但优化诸如热管理、驱动电路、PCB Layout等内容可以极大地提高性能和设计的可靠性。 

Wolfspeed提供了一些工具和资源,如PLECS模型和详细的参考设计,以帮助实现快速开发。

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