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    SiC MOSFET的橋式結(jié)構(gòu)圖文解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-04-01 15:21:50
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    SiC MOSFET的橋式結(jié)構(gòu)圖文解析
    20 世紀(jì)90 年代以來(lái),碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET 技術(shù)的迅速發(fā)展,引起人們對(duì)這種新一代功率器件的廣泛關(guān)注。與Si 材料相比,碳化硅材料較高的熱導(dǎo)率決定了其高電流密度的特性,較高的禁帶寬度又決定了SiC 器件的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高工作溫度。
    尤其在SiC MOSFET 的開發(fā)與應(yīng)用方面,與相同功率等級(jí)的Si MOSFET 相比,SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗大幅降低,適用于更高的工作頻率,另由于其高溫工作特性,大大提高了高溫穩(wěn)定性。但由于SiC MOSFET 的價(jià)格相當(dāng)昂貴,限制了它的廣泛應(yīng)用。
    SiC材料與目前應(yīng)該廣泛的Si材料相比,較高的熱導(dǎo)率決定了其高電流密度的特性,較高的禁帶寬度又決定了SiC器件的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高工作溫度。其優(yōu)點(diǎn)主要可以概括為以下幾點(diǎn):
    1) 高溫工作
    SiC在物理特性上擁有高度穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu),其能帶寬度可達(dá)2.2eV至3.3eV,幾乎是Si材料的兩倍以上。因此,SiC所能承受的溫度更高,一般而言,SiC器件所能達(dá)到的最大工作溫度可到600 oC。
    2) 高阻斷電壓
    與Si材料相比,SiC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的十倍多,因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。
    3) 低損耗
    一般而言,半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗與其擊穿場(chǎng)強(qiáng)成反比,故在相似的功率等級(jí)下,SiC器件的導(dǎo)通損耗比Si器件小很多。且SiC器件導(dǎo)通損耗對(duì)溫度的依存度很小,SiC器件的導(dǎo)通損耗 隨溫度的變化很小,這與傳統(tǒng)的Si器件也有很大差別。
    4) 開關(guān)速度快
    SiC的熱導(dǎo)系數(shù)幾乎是Si材料的2.5倍,飽和電子漂移率是Si的2倍,所以SiC器件能在更高的頻率下工作。
    綜合以上優(yōu)點(diǎn),在相同的功率等級(jí)下,設(shè)備中功率器件的數(shù)量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小,同時(shí)效率也有大幅度的提升。
    SiC MOSFET的橋式結(jié)構(gòu)
    下面給出的電路圖是在橋式結(jié)構(gòu)中使用SiC MOSFET時(shí)最簡(jiǎn)單的同步式boost電路。
    該電路中使用的SiC MOSFET的高邊(HS)和低邊(LS)是交替導(dǎo)通的,為了防止HS和LS同時(shí)導(dǎo)通,設(shè)置了兩個(gè)SiC MOSFET均為OFF的死區(qū)時(shí)間。右下方的波形表示其門極信號(hào)(VG)時(shí)序。
    SiC MOSFET 橋式結(jié)構(gòu)
    SiC MOSFET 橋式結(jié)構(gòu)
    該電路中HS和LS MOSFET的Drain-Source電壓(VDS)和漏極電流(ID)的波形示意圖如下。這是電感L的電流處于連續(xù)動(dòng)作狀態(tài),即所謂的硬開關(guān)狀態(tài)的波形。
    橫軸表示時(shí)間,時(shí)間范圍Tk(k=1~8)的定義如下:
    T1: LS為ON時(shí)、MOSFET電流變化的時(shí)間段
    T2: LS為ON時(shí)、MOSFET電壓變化的時(shí)間段
    T3: LS為ON時(shí)的時(shí)間段
    T4: LS為OFF時(shí)、MOSFET電壓變化的時(shí)間段
    T5: LS為OFF時(shí)、MOSFET電流變化的時(shí)間段
    T4~T6: HS變?yōu)镺N之前的死區(qū)時(shí)間
    T7: HS為ON的時(shí)間段(同步整流時(shí)間段)
    T8: HS為OFF時(shí)、LS變?yōu)镺N之前的死區(qū)時(shí)間
    SiC MOSFET 橋式結(jié)構(gòu)
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