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如何清晰解讀Wolfspeed碳化矽MOSFET和肖特基二極體資料手冊中的重要細節

Marco Atzeri
Oct 14, 2021
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如何清晰解讀Wolfspeed碳化矽MOSFET和肖特基二極體資料手冊中的重要細節

在設計選擇過程中,通常會在選型之前快速查看資料手冊和使用者指南。然而,根據應用場合的不同,更詳細地研究其中的一些特性可能會使設計人員有更清晰的認識。 本文將重點討論如何解讀Wolfspeed碳化矽MOSFET和肖特基二極體的資料手冊,它們有很多不應被忽視的重要細節。這些例子中使用的碳化矽(SiC)MOSFET和二極體分別是C3M0040120DC4D30120D。 

碳化矽元件的簡要概述 

為了節省時間,最好先關注關鍵參數,這些通常會出現在第一頁。這些參數可能包括最大電流、額定電壓、MOSFET的RDSon值和SiC體二極體的Qrr。如果實際應用需要快的反向恢復和小的 Qrr等特定參數,可以快速流覽一下這些特性。 

第二頁概述了電氣特性(大多數是25˚C環境溫度)。本節中最重要的參數之一是溫度限值(外殼溫度、體二極體溫度和熱阻),實際的溫度由元件的散熱方式決定。其他特性包括開/關時間和延遲、總柵極電荷Qg(MOSFET),這些參數在高頻率開關中有很大的影響。在設計柵極驅動時,閾值電壓VGS,TH  和驅動的供電電壓是非常重要的。 

在查看最大額定值時,應該注意,除非另有規定,否則所有的值均為環境溫度25℃下資料。此外,測試條件可能會與運行條件不同。並且注意下額定值的注釋,因為它可能會影響你的設計或者為你指出相關的特性圖表。 

以下幾頁將提供在特定測試條件下性能的圖表。這也很重要,因為它會提供一個方便的圖表,注意在其中與您的應用相似的特定條件下,元件將如何運行。 

資料手冊最後的資訊將包括測試電路圖(雙脈衝測試)和推薦的焊盤及封裝尺寸等資訊。最後,技術支援的連結可能被放在最下面,設計人員打開連結可以看到電子應用的注釋和其他相關資料。二極體模型可以用於SiC肖特基二極體。 

碳化矽MOSFET的額定值和特性 

對於SiC MOSFET,有三個最大電壓額定值需要注意。第一個是VDS,MAX,這是漏-源極電壓的最大允許峰值。通常建議應用的最大電壓不應超過最大額定電壓的80%~90%,以確保良好的可靠性。VGS,MAX是動態條件下的柵源電壓的最大峰值。這對設計驅動電路很重要,也不應該超過80%~90%。VGS,OP是開關之間柵源電壓的最大允許靜態值。圖1描述了VGS動態和靜態參數與實際波形的對應關係。 

圖1: 碳化矽MOSFET的VGS開關特性

全溫度範圍內的連續漏極電流值如下圖(圖2),會隨溫度降額,並且受耗散功率PD、導通電阻RDSon和連接線尺寸的限制。設計的最差情況下的連續有效值電流不能超過這個額定值。脈衝漏極電流與晶圓的能量限制相一致,其持續時間受外殼TC、結溫TJ,MAX、溫度和瞬態熱電阻(ZTH)的限制。考慮到功率損耗、熱阻抗和脈衝定時特性,定義出安全運行區域(2所示)。對於這兩個電流值,溫度都是電流的函數,設計人員需要在元件的結溫和連續電流之間平衡。 

在回流焊組裝的情況下,應該注意元件的最大焊接溫度,元件只能承受這個最大溫度10秒或更短時間。 

圖2:連續漏極電流降額vs.外殼溫度(左)和安全運行區域(右)

電壓和電流的電特性與結溫直接相關。例如,VGSth會隨著溫度的升高而下降(如圖3所示),進而可能引入誤開啟的風險,降低整體可靠性。RDS(on)也隨結溫升高而升高,隨柵極電壓而降低。對於SiC元件,RDS(on)、溫度和柵極電壓的關係比傳統的Si MOSFET要“平坦”得多,這將減少失控條件的風險。 

圖3: SiC MOSFET的閾值電壓與結溫之間的關係,表明在較高溫度下存在潛在的誤啟動

當考慮某些MOSFET的典型應用時,例如半橋結構時,開關能量是很重要的。EON和EOFF表示開關轉換過程中的能量耗損,並與開關頻率成線性關係。與只使用體二極體的設計相比,並聯使用SiC肖特基二極體所損失的能量更少。此外,外部柵極電阻將對這些額定值產生重要影響,因此需要注意的是,每個相應的圖與一組特定的條件相關,包括柵極電阻。對於時間特性(例如開/關時間和延遲)也是如此(參見圖4)。請注意測試條件及實際應用條件。 

圖4: SiC MOSFET的最大柵源電壓VGS與開關時間的關係

根據元件的結構和內部優化,內部柵極電阻(不要與柵極引腳上安裝的的外部電阻混淆)取值變化很大,1~10Ω不等。此外,Qg(以nC表示)本質上描述了在完全導通之前元件需要充電多少,與之前一樣,將取決於測試或工作條件,如VDS, VGS和IDS。 

體二極體的特性(如5所示)描述了當電流從源極流向漏極時元件的變化,例如體二極體的正向電壓和電流。反向恢復電荷(Qrr)是在反向恢復時間(trr)內p-n結必須掃出的總電荷,而反向恢復峰值電流與流入節點的電流量有關。元件關斷時,適當的控制di/dt,這也是重要的。 

熱特性需要注意,不同的散熱器及散熱方式對元件的整體性能有重大影響。過度設計散熱片會導致體積和費用的浪費,而設計的散熱片過少則會限制性能並影響可靠性。 

圖5: SiC MOSFET體二極管特性(左)和反向恢復(右)

圖6展示了VDS, IDS和VGS之間的典型關係(並非線性關係)。最好是在15V VGS下運行三代碳化矽MOSFET。 

圖6:在不同的柵極電壓下漏極電流和漏-源極電壓的關係

儘管碳化矽肖特基二極體可以與碳化矽MOSFET一起工作,但其結構是不同的,有很多其他特性需要考慮。在一個封裝中可以有一個或兩個二極體,所以規格書內部分的值會是裡面的一個二極體值,而其他值則代表整個封裝。就最大值而言,提供的電壓通常會比雪崩值多出一定的餘量(1200V額定元件大概是1600 V~1700 V)。雖然這些值比傳統矽高得多,但它們仍然受到結溫的影響。連續正向電流也受到結溫的影響(在MOSFET中可見),它隨著溫度和占空比的增加而降額(見圖7)。峰值電流額定值根據二極體的工作波形的形狀不同而不同。IFRM是正弦半波波形的正向重複峰值電流,而IFSM是特定寬度的單個正弦半波的正向不重複峰值電流。IF,MAX是特定寬度脈衝的正向不重複峰值電流,通常是三個峰值電流值中的最高值。 

圖7:開關過程中SiC二極管相對於溫度和占空比的電流降額

元件的最大功率損耗與環境溫度成線性關係,Vf也會隨著結溫的升高而增加,如果資料手冊中的圖表不能覆蓋您的應用,Wolfspeed可以提供每個元件的PLECS模型。SiC二極體的能量將被表示為I2t,並轉換為在特定時間段內在特定的外殼溫度(TC)下所能吸收的最大能量。這類似於保險絲的熔斷能量。 

二極體常見的故障是當超出dv/dt最大值時,反向不再有阻斷作用。這一特性取決於外部電路和元件的開關方式。過快的開關行為可能導致偶爾的dv/dt瞬變或超過安全裕度,進而導致元件故障,並有可能損壞其他元件。相對MOSFET和IGBT, 碳化矽二極體的典型dv/dt值 (200 V/ns) 更大些,在使用過程中如果有可能超過這個值,應該考慮其可靠性。 

二極體的正向壓降與正向電流和結溫(TJ)直接相關,如圖8所示。VF會隨著溫度的升高而增加,這有助於元件的並聯。反向電流與V­R、TJ有關,且隨溫度升高而增大。注意的是,這些值是利用通過二極體的電壓脈衝測量的,以避免自發熱。電容值表示的是當二極體反向偏置時存在於陰極和陽極之間的寄生電容或微分電容。溫度對電容的影響非常有限,但瞭解各種運行條件和反向偏置(最高在0V)對容值的影響也是不錯的。 

圖8:碳化矽(SiC)二極管正向電壓(左)和反向電壓(右)特性

向偏置時,由於二極體的寄生電容影響,反向恢復電流逐漸衰減到0。這種反向恢復損耗的特性隨著結溫的升高而變差,並在MOSFET和IGBT上產生額外的開關損耗。 

最後,二極體的熱阻和碳化矽MOSFET的熱阻非常類似,是從結點到外殼的熱阻,可以在單個元件或內部並聯兩個的元件上觀察到。同樣,這對於散熱方法的評估和運行過程中的結溫是非常重要的。Z0JC,即瞬態熱阻抗曲線,同時考慮了材料的熱阻和熱容。圖9展示了碳化矽(SiC)二極體和碳化矽MOSFET的這一特性。 

圖9: 碳化矽(SiC)器件瞬態熱阻抗(左邊是SiC二極管,右邊是SiC MOSFET)

結論 

碳化矽(SiC)資料手冊中列出了很多額定值和特性,瞭解這些額定值是如何影響您的設計是有好處的。與Si或IGBT等傳統結構相比,儘管SiC有很很多優勢,但優化諸如熱管理、驅動電路、PCB Layout等內容可以極大地提高性能和設計的可靠性。Wolfspeed提供了一些工具和資源,如PLECS模型和詳細的參考設計,以幫助實現快速開發。 

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