Page 52 - 量子加密—— 守護物聯網世代安全

DESIGN IDEAS
當較低側的續流二極體反向 恢復時，其電流方向與上側開關相 同，反之亦然;因此，過衝發生在 導通換向時，因為這會產生額外的 功率損耗，從而影響整體效率。相 較於以矽基IGBT共封裝的續流二 極體，由於SiC MOSFET的反向恢 復電流和反向時間大大降低，使其 明顯減少了恢復損耗，效率隨之顯 著提高。
在工業驅動器中，必須特別注 意開關的換向速度。事實上，SiC MOSFET的電壓上升(速)率(dV/dt) 可以達到高於IGBT的程度。如果處 理不當，高換向dV/dt會增加長馬達 電纜上的電壓尖峰，並可能產生共 模和差模寄生電流，隨著時間的推 移，它會導致繞組絕緣和馬達軸承 出現故障。儘管更快的開/關速度 提高了效率，但由於前面提到的可 靠性原因，工業驅動器中典型的dV/ dt通常設置為5~10V/ns。
圖2:SiC MOSFET和IGBT MOSFET的V-I曲線比較。
(資料來源:ST)
電熱模擬
開啟/關閉換向要求
較來看，SiC解決方案提供的顯著 優勢體現在整個電壓和電流範圍 內，這主要歸功於其線性正向電壓 降。相反地，IGBT電晶體表現出非 線性電壓降(VCE(sat))，其本身取決 於集電極電流。
意法半導體(ST)針對兩款類似 的1.2kV功率電晶體進行比較—— SiC MOSFET和矽基IGBT，證明相 較於Si IGBT，SiC MOSFET元件即 使是在5V/ns的強加條件下也能確 保更少的開啟和關閉能量損耗。
在電流約40安培(A)時達到盈 虧平衡點:低於此值，SiCMOSFET 的傳導損耗低於IGBT。這是因 為SiC MOSFET的線性靜態特性 利用了靜態損耗。而且，即使SiC MOSFET需要VGS=18V才能實現優 異的RDS(ON)，它也可以提供比矽基 IGBT更好的靜態性能，從而顯著降 低傳導損耗。
為了比較SiC MOSFET和 Si IGBT在典型工業驅動應用的 性能，電熱模擬是個不錯的選 擇。至於ST的分析，該模擬操 作採用該公司的專有軟體工具 PowerStudio進行，提供全面的 功率和熱分析，能夠預測裝置的 性能、縮短解決方案設計階段， 同時節省時間和資源。此外，該工 具有助於選擇搭配應用任務配置 的適合元件。ST PowerStudio基 於一個非常精確的內建電氣和熱 模型，針對每個元件考慮到自加熱 效應的反覆計算，因而提供了高度 準確的功率損耗、接面和外殼溫度 的估計。
靜態和動態特性
利用雙脈衝測試，從動態角度 針對兩種元件進行分析。此特定 測試的目的是在開啟和關閉條件 下提供動態損耗測量。根據所取 得的結果顯示，即使是在5V/ns條 件下，SiC MOSFET在整個分析的 電流範圍內顯示出較低(約-50%) 的開啟與關斷能量。在50V/ns 時，SiC MOSFET可進一步降低損 耗。而IGBT無法達到如此高的換 向速度。
採用PowerStudio進行的 ST電熱模擬足以證明，使用SiC MOSFET可以實現更高的能效，從 而降低任何散熱片的熱要求，進而 降低重量，以及節省空間和成本。 相較於Si IGBT，SiC MOSFET解 決方案在靜態和動態條件以及開 關和二極體方面均提供了更低的 總功率損耗。
由於使用相同類型的電晶 體，ST進行的分析也可以比較其 於靜態和動態操作時的特性(或 電壓-電流)曲線。在接面溫度為 TJ=125°C時，得到如圖2所示的靜 態特性曲線。從這兩條曲線的比
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