如何應(yīng)用英飛凌新一代G2 CoolSiC? MOSFET 提升系統(tǒng)效率
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CoolSiC? MOSFET G2 1200V系列產(chǎn)品是英飛凌最新推出的SiC MOSFET 產(chǎn)品，均采用了擴(kuò)散焊工藝（.XT） 來(lái)降低結(jié)殼熱阻。TO247封裝器件的導(dǎo)通電阻從7mΩ到78mΩ。產(chǎn)品系列如下：
上表給出了G1與G2建議的替代關(guān)系。比如G1 IMZA120R040M1H同G2 IMZC120R034M2H和IMZA120R034M2H處在同一行，可以相互替換。為了兼容G1以及更大爬電的需求，推出了2種封裝，分別是IMZC和IMZA，實(shí)物圖如下：
IMZC package
IMZA package
CoolSiC? MOSFET G2 1200V系列對(duì)比G1,有著更低的開(kāi)關(guān)損耗和改善的熱性能，同時(shí)，有著更寬的門極Vgs電壓耐受范圍，正壓從G1的最大+23V，提升到G2的最大+25V，負(fù)壓維持最小-10V不變。對(duì)比G1，G2的成本會(huì)更低，性能會(huì)更好。下面我們將就不同應(yīng)用，分析G2對(duì)效率及結(jié)溫的改善。
CoolSiC? MOSFET G2提升硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用效率
在Solar和ESS應(yīng)用中，使用1200V SiC MOSFET 替代1200V IGBT,可以帶來(lái)?yè)p耗的降低以及散熱系統(tǒng)體積的下降。
在下圖的新能源系統(tǒng)中，DC/DC MPPT,DCDC buck/boost和DC/AC inverter這些硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合均可使用CoolSiC? MOSFET G2提升效率。
CoolSiC? MOSFET G2在Boost拓?fù)渲械男阅?/strong>
工作條件：
仿真結(jié)果：
我們先按照固定環(huán)境溫度50°C，散熱片到環(huán)境的熱阻1K/W進(jìn)行計(jì)算。在上述工作條件下，G2 IMZC120R026M2H的總損耗對(duì)比G1 IMZA120R030M1H下降了8%，結(jié)溫下降了6°C。在固定散熱片溫度85°C的條件下，G2 IMZC120R026M2H的總損耗對(duì)比G1 IMZA120R030M1H下降了6%，結(jié)溫下降了2°C。
CoolSiC? MOSFET G2在同步整流Boost拓?fù)渲械男阅?/strong>
工作條件：
仿真結(jié)果：
低邊開(kāi)關(guān)管在不同死區(qū)條件下的損耗和結(jié)溫對(duì)比
高邊開(kāi)關(guān)管（同步整流）在不同死區(qū)條件下的損耗和結(jié)溫對(duì)比
從上述結(jié)果看，使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,可以得到更低的損耗，并且降低器件的溫度。具體如下，死區(qū)時(shí)間200ns條件下，低邊開(kāi)關(guān)管使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H溫度低8°C，高邊開(kāi)關(guān)管（同步整流）使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H溫度低7°C。如果死區(qū)時(shí)間是500ns,使用同型號(hào)的G2和G1對(duì)比，低邊和高邊的G2較G1結(jié)溫低8°C和9°C。
CoolSiC? MOSFET G2在同步整流Buck拓?fù)渲械男阅?/strong>
工作條件：
仿真結(jié)果：
低邊開(kāi)關(guān)管（同步整流）在不同死區(qū)條件下的損耗和結(jié)溫對(duì)比
高邊開(kāi)關(guān)管在不同死區(qū)條件下的損耗和結(jié)溫對(duì)比
從上述結(jié)果看，使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,可以得到更低的損耗，并且降低器件的溫度。具體如下，死區(qū)時(shí)間200ns條件下，高邊開(kāi)關(guān)管使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H溫度低8°C，低邊開(kāi)關(guān)管（同步整流）使用G2 IMZC120R034M2H可以比G1 IMZA120R040M1H溫度低6°C。如果死區(qū)時(shí)間是500ns,使用同型號(hào)的G2和G1對(duì)比，高邊和低邊管分別差10°C和4°C。
CoolSiC? MOSFET G2在Buck-Boost拓?fù)渲械男阅?/strong>
仿真條件：
仿真結(jié)果：
從結(jié)果看，使用G2 IMZC120R034M2H / IMZC120R026M2H分別替代G1 IMZA120R040M1H / IMZC120R030M1H均可以得到更低的損耗和結(jié)溫。
Boost/放電模式
Buck/充電模式
CoolSiC? MOSFET G2在兩電平逆變器拓?fù)渲械男阅?/strong>
仿真條件：
仿真結(jié)果：
從上述結(jié)果看，使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,可以降低10%的損耗，并且每個(gè)器件的溫度可以降低4°C。
CoolSiC? MOSFET G2在軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的使用
常用軟開(kāi)關(guān)DC/DC拓?fù)溆蠰LC,CLLC,DAB：
LLC
CLLC
DAB
CoolSiC? G2憑借先進(jìn)的器件設(shè)計(jì)，所有優(yōu)值FOM全方面領(lǐng)先。
RDSON x QGD (m?*μC)
RDSON x QOSS (m?*μC)
RDSON x EOSS(m?*μJ)
RDS x QG (m?*μC)
這些優(yōu)值對(duì)應(yīng)在不同應(yīng)用場(chǎng)合的性能。其中，RDSON x QGD越小在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中性能越好，RDSON x QOSS越小在軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中性能越好，RDSON x EOSS越小在輕載應(yīng)用中性能越好，RDS x QG越小，表示需要的門極功耗越小。
RDSON在DCDC軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中是一個(gè)關(guān)鍵因素。CoolSiC? MOSFET G2 的RDSON對(duì)溫度的曲線對(duì)比G1有一個(gè)更大的變化系數(shù)，原因是RDSON的重要組成部分RDRIFT在溝槽MOSFET中占比較高，而RDRIFT對(duì)于溫度變化更加敏感，使得RDSON在高溫時(shí)增加較大。所以我們建議在軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用當(dāng)中使用G2 34mΩ(IMZC120R034M2H / IMZA120R034M2H)來(lái)替代G1 40mΩ (IMZA120R040M1H)。
軟開(kāi)關(guān)仿真
仿真條件：
仿真結(jié)果：
使用G2 IMZC120R034M2H替代G1 IMZA120R040M1H,結(jié)溫下降1°C，總損耗基本不變。使用G2 IMZC120R026M2H替代G1 IMZA120R030M1H,結(jié)溫下降3°C，總損耗下降2.5W。
CoolSiC? MOSFET G2
在應(yīng)用中的設(shè)計(jì)建議
建議使用小于500ns的死區(qū)時(shí)間
SiC MOSFET的體二極管壓降VSD(Vf，Vgs≤0V)對(duì)比溝道壓降(Vgs≥15V)要高很多，減少死區(qū)時(shí)間，可以有效降低這部分導(dǎo)通損耗。同時(shí)，右圖也顯示，更小的死區(qū)時(shí)間，體二極管的反向恢復(fù)損耗也會(huì)更小。
建議使用小的驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗
從下圖不同驅(qū)動(dòng)電阻下的開(kāi)通和關(guān)斷波形看，小的驅(qū)動(dòng)電阻可以明顯減小開(kāi)關(guān)損耗。
推薦使用-5V做為關(guān)斷Vgs，減小開(kāi)關(guān)損耗
從下圖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，對(duì)比Vgs18/0V和18/-5V,-5V做為關(guān)斷電壓Vgs，在大電流時(shí)，可以明顯降低Eoff關(guān)斷損耗，也可以降低一些Eon開(kāi)通損耗。
綜上所述，CoolSiC? MOSFET G2通過(guò)改善設(shè)計(jì)，具有更低的單位面積電阻與開(kāi)關(guān)損耗，有助于降低系統(tǒng)損耗與芯片結(jié)溫。為充分發(fā)揮G2的優(yōu)勢(shì)，使用同步整流并縮小死區(qū)時(shí)間，使用盡可能低的門極電阻，并且使用負(fù)壓關(guān)斷，是減小損耗、提升效率的關(guān)鍵。
評(píng)論