0 卖盘信息
BOM询价
您现在的位置: 首页 > 技术方案 >电源管理 > Wolfspeed的1700V SiC Mos高效辅助电源方案设计

Wolfspeed的1700V SiC Mos高效辅助电源方案设计

来源: Wolfspeed
2018-05-17
类别:电源管理
eye 594
文章创建人 拍明

  辅助电源在光伏,UPS,电机驱动等诸多电力电子产品中扮演着十分重要的角色,除了为控制器,驱动等供电外,有时还需要为风扇,显示,系统保护模块供电等。部分情况下,相应辅助电源的输入电压来自主电路的460V甚至1000V以上的直流母线电压。

  图1:常见变频器系统图

  图2:常见单端反激电源拓扑

  在这种辅助电源系统中,常用反激式结构,如图2所示,在部分应用中,要求功率开关管能承受1200V以上的电压,目前,所用的功率器件一般都是硅材料的MOS或者IGBT。相比于Si材料,SiC材料可以更轻易的做出高压器件,并达到更大的功率密度,更低的开关损耗和导通损耗,从而工作在更高的开关频率,并减少发热量。

  Wolfspeed (原cree)的1700V的SiC Mos管非常适合用于这一类辅助电源。

  下面以60W辅助电源为例进行说明,如图3所示:

  图3 :Wolfspeed 1700V碳化硅MOS搭建的60W辅助电源

  • 该电源的输入电压范围是200V-1000V

  • 输出电压:12Vdc/4.5A;5V/0.5A;-12Vdc/0.25A

  • 开关频率:75KHZ

  • 拓扑结构:单端反激

  使用Wolfspeed的1700V SiC Mos简化了辅助电源电路,如图4所示,驱动不需要分上管和下管,大大减少了元器件,从而节约了器件成本。SiC的高阻断电压和雪崩特性,让用户在应用过程中有着更大电压应力的余量,提高了系统的可靠性。SiC器件的损耗更小,使得电源效率更高,同时降低了对散热器的要求,这不但节省了成本,也提高了电源可靠性。目前用这种方案的辅助电源不仅有着成本和效率的优势,并且,随着SiC产品价格的进一步下降,它的成本会更低。

  800-1500V硅MOS 1700V碳化硅MOS

  图4:简化辅助电源电路

辅助电源,是指航空器上产生电能,并为地面维护、检测、机内照明及起动发动机提供电能的装置。

  科锐2015年9月曾宣布,将分拆旗下Wolfspeed Power & RF(功率与射频)部门,更名为“Wolfspeed”公司,并计划单独上市。但科锐2016年1月表示,该分拆计划被推迟。

  英飞凌CEO雷哈德·普洛斯(Reinhard Ploss)称,Wolfspeed生产的碳化硅芯片在未来数年将逐渐取代传统芯片,尤其是在电动和混合动力汽车市场。当前,英飞凌约50%的销售额来自于企业行业。

  英飞凌称,收购Wolfspeed后将在短期内提高公司的每股摊薄收益和利润率。当前,英飞凌的毛利率约为55%,而未来4年有望保持20%的年平均增长率

  mos管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

  双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后,在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比(beta)。另一种晶体管,叫做场效应管(FET),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的transconductance, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道,详情参考右侧图片(N沟道耗尽型MOS管)。而P沟道常见的为低压mos管。

  场效应管通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体,所以FET管的GATE电流非常小。最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管,或,金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。因为MOS管更小更省电,所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。

  首先考察一个更简单的器件——MOS电容——能更好的理解MOS管。这个器件有两个电极,一个是金属,另一个是extrinsic silicon(外在硅),他们之间由一薄层二氧化硅分隔开。金属极就是GATE,而半导体端就是backgate或者body。他们之间的绝缘氧化层称为gate dielectric(栅介质)。图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。这个MOS 电容的电特性能通过把backgate接地,gate接不同的电压来说明。MOS电容的GATE电位是0V。金属GATE和半导体BACKGATE在WORK FUNCTION上的差异在电介质上产生了一个小电场。在器件中,这个电场使金属极带轻微的正电位,P型硅负电位。这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来,它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了,所以载流子浓度的变化非常小,对器件整体的特性影响也非常小。

  当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置时发生的情况。穿过GATE DIELECTRIC的电场加强了,有更多的电子从衬底被拉了上来。同时,空穴被排斥出表面。随着GATE电压的升高,会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子,硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为inversion,反转的硅层叫做channel。随着GATE电压的持续不断升高,越来越多的电子在表面积累,channel变成了强反转。Channel形成时的电压被称为阈值电压Vt。当GATE和BACKGATE之间的电压差小于阈值电压时,不会形成channel。当电压差超过阈值电压时,channel就出现了。

  MOS电容:(A)未偏置(VBG=0V),(B)反转(VBG=3V),(C)积累(VBG=-3V)。

  正是当MOS电容的GATE相对于backgate是负电压时的情况。电场反转,往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了,这个器件被认为是处于accumulation状态了。

  MOS电容的特性能被用来形成MOS管。Gate,电介质和backgate保持原样。在GATE的两边是两个额外的选择性掺杂的区域。其中一个称为source,另一个称为drain。假设source 和backgate都接地,drain接正电压。只要GATE对BACKGATE的电压仍旧小于阈值电压,就不会形成channel。Drain和backgate之间的PN结反向偏置,所以只有很小的电流从drain流向backgate。如果GATE电压超过了阈值电压,在GATE电介质下就出现了channel。这个channel就像一薄层短接drain和source的N型硅。由电子组成的电流从source通过channel流到drain。总的来说,只有在gate 对source电压V 超过阈值电压Vt时,才会有drain电流。

  在对称的MOS管中,对source和drain的标注有一点任意性。定义上,载流子流出source,流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是不定的,两个引线端就会互相对换角色。这种情况下,电路设计师必须指定一个是drain另一个是source。

  Source和drain不同掺杂不同几何形状的就是非对称MOS管。制造非对称晶体管有很多理由,但所有的最终结果都是一样的。一个引线端被优化作为drain,另一个被优化作为source。如果drain和source对调,这个器件就不能正常工作了。

  晶体管有N型channel所有它称为N-channel MOS管,或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在,是一个由轻掺杂的N型BACKGATE和P型source和drain组成的PMOS管。如果这个晶体管的GATE相对于BACKGATE正向偏置,电子就被吸引到表面,空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累,没有channel形成。如果GATE相对于BACKGATE反向偏置,空穴被吸引到表面,channel形成了。因此PMOS管的阈值电压是负值。由于NMOS管的阈值电压是正的,PMOS的阈值电压是负的,所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说,“PMOS Vt从0.6V上升到0.7V”, 实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V。


责任编辑:Davia

【免责声明】

1、本文内容、数据、图表等来源于网络引用或其他公开资料,版权归属原作者、原发表出处。若版权所有方对本文的引用持有异议,请联系拍明芯城(marketing@iczoom.com),本方将及时处理。

2、本文的引用仅供读者交流学习使用,不涉及商业目的。

3、本文内容仅代表作者观点,拍明芯城不对内容的准确性、可靠性或完整性提供明示或暗示的保证。读者阅读本文后做出的决定或行为,是基于自主意愿和独立判断做出的,请读者明确相关结果。

4、如需转载本方拥有版权的文章,请联系拍明芯城(marketing@iczoom.com)注明“转载原因”。未经允许私自转载拍明芯城将保留追究其法律责任的权利。

拍明芯城拥有对此声明的最终解释权。

标签: UPS 电机驱动 风扇

相关资讯

方案推荐
基于MC33771主控芯片的新能源锂电池管理系统解决方案

基于MC33771主控芯片的新能源锂电池管理系统解决方案

AMIC110 32位Sitara ARM MCU开发方案

AMIC110 32位Sitara ARM MCU开发方案

基于AMIC110多协议可编程工业通信处理器的32位Sitara ARM MCU开发方案

基于AMIC110多协议可编程工业通信处理器的32位Sitara ARM MCU开发方案

基于展讯SC9820超低成本LTE芯片平台的儿童智能手表解决方案

基于展讯SC9820超低成本LTE芯片平台的儿童智能手表解决方案

基于TI公司的AM437x双照相机参考设计

基于TI公司的AM437x双照相机参考设计

基于MTK6580芯片的W2智能手表解决方案

基于MTK6580芯片的W2智能手表解决方案