文章来源@@：UnitedSiC
2022 年@@ 12 月@@ 6 - 7 日@@，中国电工技术@@学会低压电器专业委员会第二十一届学术年@@会@@、第十七届中国智能电工技术@@论坛暨固态新型断路器技术@@发展及应用国际研讨会@@（第二季@@）于江苏常州顺利召开@@。作为一场行业盛会@@，该会议主要围绕固态@@/混合式新型断路器的@@最新技术@@@@、前沿标准@@、全新检测业务方向等相关解决方案@@进行深入研讨@@。
Qorvo 公司的@@高级应用工程师敬勇攀@@也在@@@@ “固态断路器国际论坛@@”上@@发表了题为@@《双栅结构@@@@ Sic FETs 在@@电路保护@@中的@@应用@@》的@@演讲@@。
Qorvo 高级应用工程师敬勇攀@@
据介绍@@，Qorvo 是@@一家专注于射频领域@@，在@@包括@@ 5G、WiFi 和@@ UWB 等通信技术@@都有投入的@@公司@@。此外@@，Qorvo 在@@触控和@@电源等方面也有布局@@。如@@在@@@@ 2021 年@@领先碳化硅@@（SiC）功率半导体供应商@@ UnitedSiC 公司的@@收购@@，就扩展@@ Qorvo 在@@高功率应用方面的@@市场机会@@，这部分业务也被纳入了@@ Qorvo 的@@ IDP 部门@@。
敬勇攀在@@演讲中@@也指出@@，UnitedSiC 团队从@@ 1994 年@@开始就开始投入碳化硅领域的@@研究@@，截止在@@这方面有了@@ 23 年@@的@@投入@@。而@@早在@@@@ 2014 年@@，UnitedSiC 就已经成功量产了第四@@代@@ 1200V 和@@ 650V 的@@碳化硅@@ FETS 和@@二极管结构@@的@@产品@@。到@@了@@ 2018 年@@，UnitedSiC 成功在@@六吋晶圆上@@量产了第三@@代的@@@@ 1200V 和@@ 750V 碳化硅产品@@。目前@@，这些产品也升级到@@第四@@代@@。
“基于我们碳化硅产品@@的@@多样性@@，Qorvo 有能力在@@包括@@固态变压器在@@内@@的@@电力电子@@的@@多个@@应用领域发挥重要的@@作用@@。”敬勇攀说@@。
首先看汽车方面@@，如@@上@@图所示@@，因为新能源汽车的@@火热@@，催生了@@ SiC 的@@需求@@。这也是@@@@一个@@@@ SiC 拥有巨大潜力的@@市场@@，尤其是@@在@@@@ OBC 充电方面@@。
据敬勇攀介绍@@，现在@@市场上@@已经提供了有@@ 6.6KW - 22KW 等多种功率段的@@方案@@@@。而@@在@@这些方案@@的@@@@ FPC 侧@@，基本上@@都会用到@@@@ SiC 器件以提升方案@@效率@@；5KW 左右@@的@@@@ “小功率@@” 汽车充电领域@@，也会用到@@@@ SiC 产品来打造@@ DC-DC 转换器系统@@；在@@新能源汽车市场@@，牵引系统也会是@@@@ SiC 发力的@@又一个@@方向@@，例如@@特斯拉和@@比亚迪等厂商就会在@@其高端电动汽车的@@牵引系统上@@选择@@ SiC 方案@@，有助于提升其续航能力@@。
其次@@，与新能源汽车配套充电桩@@行业也是@@@@@@ SiC 能够发挥作用的@@又一个@@市场@@。而@@ Qorvo 现在@@更专注的@@是@@直流快充市场@@。在@@这个@@领域@@，企业基于@@ SiC 打造了涵盖@@ 20KW、30KW 甚至@@ 40KW 功率的@@单个@@模块@@。“现在@@国外有些厂商基于@@ 800V 母线做出了@@ 350KW 的@@充电方案@@@@，代表着可以在@@八分钟内@@就完成@@ 400 公里续航充电@@。”敬勇攀举例说@@。此外@@，充电桩@@里的@@无线充电也是@@@@@@ SiC 可以发力的@@又一个@@方向@@@@。
第三@@，IT 市场的@@基础设施建设也让@@ SiC 有了用武之地@@。如@@ Qorvo 的@@器件可以用在@@图腾柱的@@@@ PFC 上@@，用做功率因素校准等@@。同时@@，小的@@@@ DCDC 也是@@@@ SiC 的@@应用方向@@；第四@@，如@@光伏逆变@@、能源再生和@@能源反馈市场也是@@@@@@ SiC 看上@@的@@又一个@@市场@@。
最后@@，SiC 还可以充当电路保护@@器件@@，尤其是@@在@@@@固态电路中@@，SiC 能发挥出比较好的@@电路保护@@作用@@，这也是@@@@敬勇攀这次演讲的@@重点@@。
如@@下图所示@@，如@@果硅基器件要做到@@耐压@@ 650V 或@@者更高时@@，其所需要的@@晶圆面积较大@@。作为对比@@，SiC 基的@@器件即使在@@打造@@ 1000V 以上@@耐压的@@产品@@，其晶圆面积反而@@会较小@@。从下图右边硅@@、普通平面@@ SiC MOS 和@@ Qorvo (原@@ UnitedSiC ) 的@@ SiC Trench JFET 的@@漂移区厚度对比可以看到@@@@，Qorvo 的@@器件在@@尺寸上@@优势明显@@。
“如@@图所说@@，Qorvo 器件的@@漂移区厚度虽然和@@传统平面@@ SiC 器件的@@相仿@@，但因为@@ Qorvo 器件能把@@@@ die size 做得更小@@，这就让公司的@@器件拥有了更大的@@成本优势@@。这也是@@@@一直以来做的@@事情@@——把@@ SiC Trench JFET 和@@低压硅@@ MOS 集成到@@一起@@，做成现有的@@结构@@@@，使其在@@性能和@@成本上@@都能取得不错的@@表现@@。”敬勇攀在@@演讲中@@强调@@。
据敬勇攀总结@@，SiC 基器件拥有下面几点优势@@：
与硅基器件相比@@，SiC 器件的@@导热性能是@@前者的@@三倍以上@@@@；
与硅基器件相比@@，SiC 器件单@@ Si 面积内@@的@@耐受电压@@是@@前者的@@四倍@@；
由@@于@@ SiC 器件的@@电子@@漂移率是@@硅基器件的@@十倍以上@@@@，因此对于给定的@@耐压值@@@@，其每平方毫米的@@@@ RdsA 变小@@，导通损耗也能做得更小@@@@；
在@@不依赖于双极性传导时@@，SiC 具有更快的@@关闭速度和@@更低损耗@@；
再回到@@上@@面谈到@@的@@固态断路器应用@@。如@@下图所示@@，三种不同结构@@的@@@@ JFET 都适用于这个@@市场@@。其中@@，第一种基于碳化硅@@ JFET 型的@@常开器件@@，这种器件主要用于断路器和@@限流等应用@@，因为在@@这种器件@@，我们能直接测量@@ RDS 电压@@，那就意味着我们可以直接测量器件内@@部的@@结温@@，因此这是@@一种非常理想的@@自我监测型器件@@。
中间的@@这种器件则是@@@@ Casecade 结构@@，由@@ JFET SiC 和@@作为驱动的@@低压@@ MOS 两部分构成@@@@。而@@这种设计@@的@@好处是@@其驱动可以做兼容式设计@@@@，可兼容@@ IGBT、硅基超级结@@ MOS 和@@通用@@ SiC MOS 的@@驱动@@，能在@@设计@@的@@过程中给工程师提供非常大的@@便利@@。得益于这些优势@@，这种器件能够应用在@@光伏@@、充电桩@@、OBC 和@@服务器电源等应用中@@。
最右边的@@设计@@则是@@一种双门级设计@@@@，其最明显的@@优势体现在@@使用者可以非常轻易地控制@@ SiC 的@@开关速度@@，应用范围也囊括了断路器和@@刹车等领域@@。在@@演讲中@@，敬勇攀还表示@@，这种双门级结构@@拥有两种不同的@@驱动@@模式@@，分别是@@基于@@ Cascode 的@@驱动@@和@@直接驱动@@。
在@@第一种驱动中@@，如@@上@@图所示@@，这种设计@@的@@最明显的@@特点就是@@在@@@@ JFET 上@@增加了一个@@串联进门极电路的@@外部驱动电阻@@，其优势是@@驱动简单@@、对于在@@第三@@象限的@@工况@@，内@@部具有非常低的@@@@ Vf 值@@，能提高@@效率@@。“基于我们特殊的@@@@ Cascode 设计@@，我们产品的@@第三@@现象导通压降处于@@ 1 到@@ 1.5V 之间@@，有利于系统效率的@@提高@@@@。”敬勇攀说@@。
至于直驱型设计@@@@，其优势则包括@@：1. 可以更好的@@控制@@ JFET 的@@开关速度@@；2. 可以进一步减少@@ Rdson；3. 可以实时监测器件的@@结温@@@@。
在@@接下来的@@演讲@@中@@，敬勇攀用多个@@图表展示和@@@@ DEMO 讲述了@@Qorvo SiC 在@@包括@@固态断路在@@内@@的@@多个@@应用优势@@。
如@@下图所示@@，最左边的@@图是@@一个@@直驱的@@方式直接控制@@ SiC JFET 的@@门级@@。最左边的@@是@@不同@@Vgs下实时对应的@@器件结温@@。
下图上@@方展示了用@@ 3 个@@ T0247 封装的@@@@ 1200V，9m 的@@双门级器件并联@@所做的@@一个@@固态断路器的@@测试@@。从图中我们也可以看到@@器件是@@采用@@ cascade 驱动的@@方式实现的@@@@。这样有利于简化驱动@@。另外@@我们可以看到@@@@ Rjfet 的@@驱动@@电阻是@@@@ 5Ω，并且@@在@@每一个@@器件的@@都并有@@ RC snubber，吸收电容是@@@@ 3nf，吸收电阻@@：11Ω，它作为关断时可以起到@@对@@ VDS 的@@电压@@@@尖峰吸收的@@作用@@。
下图下方两个@@图的@@其中@@一个@@是@@器件的@@结温@@跟@@ RDSon 成正相关曲线@@，即结温越高@@，RDSon 也就越大@@。另一个@@是@@@@ JFET 的@@门级@@阈值@@电压@@跟随结温的@@波动曲线@@，从图中可以看到@@@@ JFET 的@@结温越高@@，阈值@@电压@@也就越高@@。
下图则展示了三个@@器件并联@@以后做的@@一个@@固态短路器的@@测试波形@@。其中@@，红色线表示@@ VDS，绿色线代表@@ ID，其峰值@@电流在@@@@ 1150A，蓝色线代表@@ VGS，驱动电平在@@@@ 18V 左右@@。
在@@Qorvo，我们现在@@提供了一个@@供源极的@@双驱动的@@模块@@，并且@@ RDSon 是@@ 1.4mΩ，由@@ 24die 构成@@。而@@传统的@@是@@由@@@@ 6 个@@ SOT227 并联@@构成@@一个@@@@ 1.5mΩ CSD，并且@@它是@@由@@@@ 36die 构成@@。因此从体积@@，开通损坏来说@@，我们的@@器件都更具有优势@@。另外@@，右边的@@图给出了@@ CSD 的@@ RDSon 的@@测量方法@@。从图中我们可以看到@@@@ D1，D2 是@@器件的@@主功率端子@@，而@@白色的@@是@@@@ MG1 和@@ SK1，以及@@ MG2 和@@ SK2 的@@驱动@@引脚@@。
通过下方的@@浪涌测试设置的@@原@@理框图@@，我们可以看到@@最右边是@@隔离电源和@@隔离的@@门级@@驱动@@，驱动电压@@设置为@@ 15V，和@@ -5V，外部的@@驱动@@电阻@@ Rgon 是@@ 2.2 并联@@ 0.6Ω，Rgoff 是@@ 0.6Ω，为了简便期间@@，这里我们把@@@@ CSD 的@@驱动@@供用一路驱动来实现@@，并且@@没有带推饱和@@检测@@。但是@@在@@实际应用中我们建议最好由@@@@ 2 路隔离驱动@@，并且@@每一路都带有推饱和@@检测功能@@。另外@@我们在@@母线上@@并联@@了@@ 6 组@@ RC sunnber 做关断时的@@电压@@@@尖峰吸收@@，以及@@并联@@了压敏电阻可以泄放浪涌器件的@@能量@@，最后@@我们在@@负载线上@@串联了@@ 2 颗@@ 5mΩ 的@@电阻@@，用于电流检测@@。
如@@图展示的@@是@@浪涌测试时的@@电流波形@@。其中@@绿色的@@线时@@ IDS，峰值@@高达@@ 6650A，红色的@@线是@@@@ D1 和@@ D2 的@@电压@@@@，其峰值@@电压@@可以高达@@ 940V，蓝色线是@@@@ CSD 模块的@@驱动@@电压@@@@。我们可以看到@@在@@@@ CSD 模块导体的@@@@ 240us 内@@，负载或@@者器件电流达@@ 6650A。
在@@浪涌实验中@@，我们也仿真了器件内@@部的@@结温@@，图中粉红色的@@线是@@@@@@ CSD 模块内@@部@@ Q1 器件的@@结温@@，黄色的@@线是@@@@ CSD 模块内@@部@@ Q2 器件的@@结温@@。我们可以观察到@@在@@@@ CSD 导通的@@@@ 240us 内@@，CSD 模块内@@部@@的@@结温最高是@@在@@@@ 57°C，而@@当器件关断时@@，由@@于@@会产生一个@@比较大的@@关断损耗@@，导致器件的@@结温@@上@@升到@@@@ 68°C，但这些都是@@在@@器件的@@设计@@范围以内@@@@。
最后@@，敬勇攀总结说@@，如@@下图所示@@，SiC Cascode FET 在@@固态电路保护@@中拥有多个@@优势@@。Qorvo 在@@未来也会继续推进技术@@发展@@，为客户提供更好的@@服务@@。
