#電源設計 #絕緣柵雙極電晶體IGBT #金氧半場效電晶體MOSFET #氮化鎵GaN #碳化矽SiC #寬能隙Wide Band-gap #超接面super-junction #功率因數修正PFC #雙電晶體順向式TTF #邏輯鏈路控制LLC #準諧振返馳式拓樸 #返馳式充電器 #齊納二極體Zener diode
【超接面,通往寬能隙半導體製程的跳板】
開關式電源 (Switch Power) 旨在控制開通和關斷的時間點以維持穩定的輸出電壓,一般由脈衝寬度調變 (PWM) 控制 IC 和金氧半場效電晶體 (MOSFET) 構成,輕量、提高工作頻率的耐受度是主要方向;而如何在高壓功率元件獲得良好的崩潰電壓及導通電阻?向來是業界不斷精進的課題。在氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等新一代寬能隙 (Wide Band-gap) 半導體材料未臻成熟前,借助高摻雜濃度的「超接面」(Super Junction,簡稱SJ) 結構,能有效優化上述兩項技術指標、達到節能目的,並突破矽 (Si) 材料極限,故成為新型高壓功率元件的新寵。
效能和價格固然是採購功率元件的基本準則,但電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 對於系統設計的影響亦不容小覷,否則善後工作會很棘手且耽誤開發時程,設計前應做全方位的考量。就系統角度而言,還須考慮週邊元件的適配度;例如,選用功率密度 (High Density) 高的元件,「扼流器」(Power Choke) 等被動元件的體積亦可隨之微縮。以伺服器為例,可連帶使整個電源模組、乃至機殼外型都更為輕薄,極大化利用有限的資料中心空間。若功率元件廠商能提供多種 RDS(ON) 導通電阻等級和不同封裝方式的「產品組合」,工程師也有更多選擇的可能性。
在功率因數修正 (PFC)、雙電晶體順向式 (TTF) 和其他硬切換拓樸中,擁有媲美 GaN 性能的 MOSFET,適合高功率開關模式電源 (SMPS) 應用,如:超大型資料中心、電信基地台、太陽能和工業等。此外,整合式本體二極體 (Body Diode) 確保低損耗續流功能,適用於馬達驅動、太陽能或焊接技術領域;而整合齊納二極體 (Zener diode) 的 MOSFET,具備更高的靜電放電 (ESD) 耐受性,可減少良率損失並改善組裝產能。除了導通電阻和損耗問題,封裝亦會關係到負載與電路板空間運用效率以及穩壓效果;溝槽式 MOSFET 模組平台和拓樸,動態損耗更低。
延伸閱讀:
《Infineon「超接面製程」為銜接GaN、SiC 材料作緩衝》
http://compotechasia.com/a/feature/2017/0615/35751.html
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#英飛凌Infineon #CoolMOS C3/C7/P7 #CoolSiC
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二極體崩潰電壓 在 COMPOTECHAsia電子與電腦 - 陸克文化 Facebook 的最佳貼文
#汽車電子 #電源設計 #功率元件 #牽引逆變器 #IGBT製程 #AEC-Q101
【測定電源模組之 IGBT 結溫與集電極電流的可靠方法】
用於目前和下一代混合/插電式混合、燃料電池及電池供電之電動汽車 (H/EV) 的牽引逆變器,需要崩潰電壓 650V 範圍的功率半導體裝置。採用第三代溝槽型場截止 IGBT 技術、且符合汽車級標準認證快速恢復二極體匹配的功率元件,具有更多特徵和選擇;例如,改變柵極墊尺寸和位置以容納不同直徑的鋁線、重新修改裸晶的尺寸並客製化崩潰電壓。
裸晶 IGBT 通常由電源模組製造商使用,這些製造商設計 H/EV 牽引逆變器,以實現高水準的功率整合和可靠性,或特殊的電源互連。最重要的目標是突破標準模組產品的功率限制。設計電源半導體時,設計人員將面臨功率損耗、熱管理、短路、過流/過壓和過熱保護,以及電流測定等挑戰。首先,功率損耗受 IGBT 的 VCEon 值、開關行為 (接通時間和斷開時間) 以及開關頻率影響,這些特性又會隨 IGBT 技術、柵極驅動電路、封裝的雜散電感及熱管理系統的特性而變化。
由於功率損耗不可能完全消除、只能減小,因此,熱管理的目標是消除從半導體損耗而產生的熱量。消除這種熱量最好的方法是改善矽本身和外界的熱傳導;而先進功率模組可在功率元件的頂部和底部採用燒結技術並結合雙面冷卻,以改善熱傳導。設計人員面臨的下一個問題是防止 IGBT 過熱、過壓和過流。要限制過壓,可利用合適的設計和控制電流通路的雜散電感量,並控制電流變化速率達成。透過及時檢測過電流和過熱並做出回應,能延長逆變器的使用壽命。
為控制馬達電流和轉矩,馬達控制系統要求測定電流。裸晶 IGBT 的單片式整合溫度檢測能透過測定一串多晶矽二極體的正向壓降 (VF) 實現。單片式電流檢測方法證明是測定 IGBT 接合點溫度 (Tj) 的最好方法,因為兩者具有線性依賴;惟須留意的是,溫度感測器要求二極體正向偏置且具有精確的恆定電流,造成的壓降須經介面電路檢測、調節,而此一介面電路須設計用於讀取較小的溫度相關 VF 值、抑制開關電壓,並傳送訊號通過隔離層。
單片式電流檢測可用於 H/EV 逆變器的各種應用,最簡單的用途是利用比較器電路做過流保護,以增強或代替傳統的退飽和保護。採用其他介面電路和智慧處理,並結合晶片內建溫度檢測做電機控制,則是更具挑戰性和潛在價值的應用。整合電流檢測和溫度檢測的電路,無需額外感測器,可簡化關鍵參數的檢測、減少零組件數量,擁有以下好處:對危險操作狀況的響應更快、接合點溫度測定更準確、功率矽的利用率更佳,且可靠性提高。
延伸閱讀:
《汽車級認證裸晶 IGBT 的單片式電流和溫度檢測》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0220/34702.html
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#安森美半導體OnSemiconductor #PCGA160T65NF8 #PCGA200T65NF8 #PCGA300T65DF8
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