【導讀】據介紹，Qorvo 是一家專(zhuān)注于射頻領(lǐng)域，在包括 5G、WiFi 和 UWB 等通信技術(shù)都有投入的公司。此外，Qorvo 在觸控和電源等方面也有布局。如在 2021 年領(lǐng)先碳化硅（SiC）功率半導體供應商 UnitedSiC 公司的收購，就擴展 Qorvo 在高功率應用方面的市場(chǎng)機會(huì )，這部分業(yè)務(wù)也被納入了 Qorvo 的 IDP 部門(mén)。
2022 年 12 月 6 - 7 日，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì )低壓電器專(zhuān)業(yè)委員會(huì )第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì )、第十七屆中國智能電工技術(shù)論壇暨固態(tài)新型斷路器技術(shù)發(fā)展及應用國際研討會(huì )（第二季）于江蘇常州順利召開(kāi)。作為一場(chǎng)行業(yè)盛會(huì )，該會(huì )議主要圍繞固態(tài)/混合式新型斷路器的最新技術(shù)、前沿標準、全新檢測業(yè)務(wù)方向等相關(guān)解決方案進(jìn)行深入研討。
Qorvo 公司的高級應用工程師敬勇攀也在 “固態(tài)斷路器國際論壇”上發(fā)表了題為《雙柵結構 Sic FETs 在電路保護中的應用》的演講。
Qorvo 高級應用工程師敬勇攀
據介紹，Qorvo 是一家專(zhuān)注于射頻領(lǐng)域，在包括 5G、WiFi 和 UWB 等通信技術(shù)都有投入的公司。此外，Qorvo 在觸控和電源等方面也有布局。如在 2021 年領(lǐng)先碳化硅（SiC）功率半導體供應商 UnitedSiC 公司的收購，就擴展 Qorvo 在高功率應用方面的市場(chǎng)機會(huì )，這部分業(yè)務(wù)也被納入了 Qorvo 的 IDP 部門(mén)。
敬勇攀在演講中也指出，UnitedSiC 團隊從 1994 年開(kāi)始就開(kāi)始投入碳化硅領(lǐng)域的研究，截止在這方面有了 23 年的投入。而早在 2014 年，UnitedSiC 就已經(jīng)成功量產(chǎn)了第四代 1200V 和 650V 的碳化硅 FETS 和二極管結構的產(chǎn)品。到了 2018 年，UnitedSiC 成功在六吋晶圓上量產(chǎn)了第三代的 1200V 和 750V 碳化硅產(chǎn)品。目前，這些產(chǎn)品也升級到第四代。
“基于我們碳化硅產(chǎn)品的多樣性，Qorvo 有能力在包括固態(tài)變壓器在內的電力電子的多個(gè)應用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用?！本从屡收f(shuō)。
首先看汽車(chē)方面，如上圖所示，因為新能源汽車(chē)的火熱，催生了 SiC 的需求。這也是一個(gè) SiC 擁有巨大潛力的市場(chǎng)，尤其是在 OBC 充電方面。
據敬勇攀介紹，現在市場(chǎng)上已經(jīng)提供了有 6.6KW - 22KW 等多種功率段的方案。而在這些方案的 FPC 側，基本上都會(huì )用到 SiC 器件以提升方案效率；5KW 左右的 “小功率” 汽車(chē)充電領(lǐng)域，也會(huì )用到 SiC 產(chǎn)品來(lái)打造 DC-DC 轉換器系統；在新能源汽車(chē)市場(chǎng)，牽引系統也會(huì )是 SiC 發(fā)力的又一個(gè)方向，例如特斯拉和比亞迪等廠(chǎng)商就會(huì )在其高端電動(dòng)汽車(chē)的牽引系統上選擇 SiC 方案，有助于提升其續航能力。
其次，與新能源汽車(chē)配套充電樁行業(yè)也是 SiC 能夠發(fā)揮作用的又一個(gè)市場(chǎng)。而 Qorvo 現在更專(zhuān)注的是直流快充市場(chǎng)。在這個(gè)領(lǐng)域，企業(yè)基于 SiC 打造了涵蓋 20KW、30KW 甚至 40KW 功率的單個(gè)模塊?！艾F在國外有些廠(chǎng)商基于 800V 母線(xiàn)做出了 350KW 的充電方案，代表著(zhù)可以在八分鐘內就完成 400 公里續航充電?！本从屡逝e例說(shuō)。此外，充電樁里的無(wú)線(xiàn)充電也是 SiC 可以發(fā)力的又一個(gè)方向。
第三，IT 市場(chǎng)的基礎設施建設也讓 SiC 有了用武之地。如 Qorvo 的器件可以用在圖騰柱的 PFC 上，用做功率因素校準等。同時(shí)，小的 DCDC 也是 SiC 的應用方向；第四，如光伏逆變、能源再生和能源反饋市場(chǎng)也是 SiC 看上的又一個(gè)市場(chǎng)。
最后，SiC 還可以充當電路保護器件，尤其是在固態(tài)電路中，SiC 能發(fā)揮出比較好的電路保護作用，這也是敬勇攀這次演講的重點(diǎn)。
如下圖所示，如果硅基器件要做到耐壓 650V 或者更高時(shí)，其所需要的晶圓面積較大。作為對比，SiC 基的器件即使在打造 1000V 以上耐壓的產(chǎn)品，其晶圓面積反而會(huì )較小。從下圖右邊硅、普通平面 SiC MOS 和 Qorvo (原 UnitedSiC ) 的 SiC Trench JFET 的漂移區厚度對比可以看到，Qorvo 的器件在尺寸上優(yōu)勢明顯。
“如圖所說(shuō)，Qorvo 器件的漂移區厚度雖然和傳統平面 SiC 器件的相仿，但因為 Qorvo 器件能把 die size 做得更小，這就讓公司的器件擁有了更大的成本優(yōu)勢。這也是一直以來(lái)做的事情——把 SiC Trench JFET 和低壓硅 MOS 集成到一起，做成現有的結構，使其在性能和成本上都能取得不錯的表現?！本从屡试谘葜v中強調。
據敬勇攀總結，SiC 基器件擁有下面幾點(diǎn)優(yōu)勢：
1.與硅基器件相比，SiC 器件的導熱性能是前者的三倍以上；
2.與硅基器件相比，SiC 器件單 Si 面積內的耐受電壓是前者的四倍；
3.由于 SiC 器件的電子漂移率是硅基器件的十倍以上，因此對于給定的耐壓值，其每平方毫米的 RdsA 變小，導通損耗也能做得更??；
4.在不依賴(lài)于雙極性傳導時(shí)，SiC 具有更快的關(guān)閉速度和更低損耗；
再回到上面談到的固態(tài)斷路器應用。如下圖所示，三種不同結構的 JFET 都適用于這個(gè)市場(chǎng)。其中，第一種基于碳化硅 JFET 型的常開(kāi)器件，這種器件主要用于斷路器和限流等應用，因為在這種器件，我們能直接測量 RDS 電壓，那就意味著(zhù)我們可以直接測量器件內部的結溫，因此這是一種非常理想的自我監測型器件。
中間的這種器件則是 Casecade 結構，由 JFET SiC 和作為驅動(dòng)的低壓 MOS 兩部分構成。而這種設計的好處是其驅動(dòng)可以做兼容式設計，可兼容 IGBT、硅基超級結 MOS 和通用 SiC MOS 的驅動(dòng)，能在設計的過(guò)程中給工程師提供非常大的便利。得益于這些優(yōu)勢，這種器件能夠應用在光伏、充電樁、OBC 和服務(wù)器電源等應用中。
最右邊的設計則是一種雙門(mén)級設計，其最明顯的優(yōu)勢體現在使用者可以非常輕易地控制 SiC 的開(kāi)關(guān)速度，應用范圍也囊括了斷路器和剎車(chē)等領(lǐng)域。在演講中，敬勇攀還表示，這種雙門(mén)級結構擁有兩種不同的驅動(dòng)模式，分別是基于 Cascode 的驅動(dòng)和直接驅動(dòng)。
在第一種驅動(dòng)中，如上圖所示，這種設計的最明顯的特點(diǎn)就是在 JFET 上增加了一個(gè)串聯(lián)進(jìn)門(mén)極電路的外部驅動(dòng)電阻，其優(yōu)勢是驅動(dòng)簡(jiǎn)單、對于在第三象限的工況，內部具有非常低的 Vf 值，能提高效率?！盎谖覀兲厥獾?Cascode 設計，我們產(chǎn)品的第三現象導通壓降處于 1 到 1.5V 之間，有利于系統效率的提高?！本从屡收f(shuō)。
至于直驅型設計，其優(yōu)勢則包括：1. 可以更好的控制 JFET 的開(kāi)關(guān)速度；2. 可以進(jìn)一步減少 Rdson；3. 可以實(shí)時(shí)監測器件的結溫。
在接下來(lái)的演講中，敬勇攀用多個(gè)圖表展示和 DEMO 講述了Qorvo SiC 在包括固態(tài)斷路在內的多個(gè)應用優(yōu)勢。
如下圖所示，最左邊的圖是一個(gè)直驅的方式直接控制 SiC JFET 的門(mén)級。最左邊的是不同Vgs下實(shí)時(shí)對應的器件結溫。
下圖上方展示了用 3 個(gè) T0247 封裝的 1200V，9m 的雙門(mén)級器件并聯(lián)所做的一個(gè)固態(tài)斷路器的測試。從圖中我們也可以看到器件是采用 cascade 驅動(dòng)的方式實(shí)現的。這樣有利于簡(jiǎn)化驅動(dòng)。另外我們可以看到 Rjfet 的驅動(dòng)電阻是 5Ω，并且在每一個(gè)器件的都并有 RC snubber，吸收電容是 3nf，吸收電阻：11Ω，它作為關(guān)斷時(shí)可以起到對 VDS 的電壓尖峰吸收的作用。
下圖下方兩個(gè)圖的其中一個(gè)是器件的結溫跟 RDSon 成正相關(guān)曲線(xiàn)，即結溫越高，RDSon 也就越大。另一個(gè)是 JFET 的門(mén)級閾值電壓跟隨結溫的波動(dòng)曲線(xiàn)，從圖中可以看到 JFET 的結溫越高，閾值電壓也就越高。
下圖則展示了三個(gè)器件并聯(lián)以后做的一個(gè)固態(tài)短路器的測試波形。其中，紅色線(xiàn)表示 VDS，綠色線(xiàn)代表 ID，其峰值電流在 1150A，藍色線(xiàn)代表 VGS，驅動(dòng)電平在 18V 左右。
在Qorvo，我們現在提供了一個(gè)供源極的雙驅動(dòng)的模塊，并且 RDSon 是 1.4mΩ，由 24die 構成。而傳統的是由 6 個(gè) SOT227 并聯(lián)構成一個(gè) 1.5mΩ CSD，并且它是由 36die 構成。因此從體積，開(kāi)通損壞來(lái)說(shuō)，我們的器件都更具有優(yōu)勢。另外，右邊的圖給出了 CSD 的 RDSon 的測量方法。從圖中我們可以看到 D1，D2 是器件的主功率端子，而白色的是 MG1 和 SK1，以及 MG2 和 SK2 的驅動(dòng)引腳。
通過(guò)下方的浪涌測試設置的原理框圖，我們可以看到最右邊是隔離電源和隔離的門(mén)級驅動(dòng)，驅動(dòng)電壓設置為 15V，和 -5V，外部的驅動(dòng)電阻 Rgon 是 2.2 并聯(lián) 0.6Ω，Rgoff 是 0.6Ω，為了簡(jiǎn)便期間，這里我們把 CSD 的驅動(dòng)供用一路驅動(dòng)來(lái)實(shí)現，并且沒(méi)有帶推飽和檢測。但是在實(shí)際應用中我們建議最好由 2 路隔離驅動(dòng)，并且每一路都帶有推飽和檢測功能。另外我們在母線(xiàn)上并聯(lián)了 6 組 RC sunnber 做關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰吸收，以及并聯(lián)了壓敏電阻可以泄放浪涌器件的能量，最后我們在負載線(xiàn)上串聯(lián)了 2 顆 5mΩ 的電阻，用于電流檢測。
如圖展示的是浪涌測試時(shí)的電流波形。其中綠色的線(xiàn)時(shí) IDS，峰值高達 6650A，紅色的線(xiàn)是 D1 和 D2 的電壓，其峰值電壓可以高達 940V，藍色線(xiàn)是 CSD 模塊的驅動(dòng)電壓。我們可以看到在 CSD 模塊導體的 240us 內，負載或者器件電流達 6650A。
在浪涌實(shí)驗中，我們也仿真了器件內部的結溫，圖中粉紅色的線(xiàn)是 CSD 模塊內部 Q1 器件的結溫，黃色的線(xiàn)是 CSD 模塊內部 Q2 器件的結溫。我們可以觀(guān)察到在 CSD 導通的 240us 內，CSD 模塊內部的結溫最高是在 57°C，而當器件關(guān)斷時(shí)，由于會(huì )產(chǎn)生一個(gè)比較大的關(guān)斷損耗，導致器件的結溫上升到 68°C，但這些都是在器件的設計范圍以?xún)取?/p>
最后，敬勇攀總結說(shuō)，如下圖所示，SiC Cascode FET 在固態(tài)電路保護中擁有多個(gè)優(yōu)勢。Qorvo 在未來(lái)也會(huì )繼續推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，為客戶(hù)提供更好的服務(wù)。
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