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2018.12.20 Si功率元器件

总结

总结

本文是Si功率元器件基础篇的最后一篇。此前选取整流二极管、肖特基势垒二极管、快速恢复二极管、MOSFET、超级结MOSFET、Presto MOS、Hybrid MOS等Si功率元件,对其基本特性进行了介绍。另外还介绍了判断所选的晶体管在实际工作条件下是否适用的方法与步骤、以及发挥各种二极管和晶体管特性特征的应用案例。这些是分立部件的基础内容,通过此前的介绍,对每种部件的特征应该已经所有了解了。下面是各篇文章名称及其关键要点汇总。

<前言>

前言

关键要点

・理解最新的Si功率元器件的特性和特征,再思Si功率元器件的覆盖范围及拓展。

・根据要求规格,区分选用传统的Si半导体和SiC等新材料功率元器件。

<所谓Si二极管>

所谓二极管-分类与特性

关键要点

・最为基础的确认事项。

・用作Si功率元器件的二极管的种类和分类。

所谓二极管-整流二极管的特征比较

关键要点

・了解功率Si二极管的大致特征比较。

所谓二极管-Si肖特基势垒二极管的特征

关键要点

・Si-SBD的特性因势垒金属而异。

・认识到不可忽视Si-SBD的IR的程度。

・因有导致热失控的可能性,所以必须充分验证热设计。

所谓二极管-快速恢复二极管的特征

关键要点

・Si-FRD的特性因硅拡散的杂质而异。

・Si-FRD的VF和trr之间存在权衡关系。

・反向恢复时的噪声对于开关电源应用产生不利影响,所以开发了改良型。

<所谓Si晶体管>

所谓晶体管-分类与特征

关键要点

・本章中选取功率晶体管中的双极晶体管、MOSFET、IGBT进行了介绍。

・介绍双极晶体管、MOSFET、IGBT的基本特征。

所谓MOSFET-寄生容量及其温度特性

关键要点

・MOSFET存在寄生电容,寄生电容是影响开关特性的重要参数。

・寄生电容对于温度影响几乎无变化,因此开关特性几乎不受温度变化的影响。

所谓MOSFET-开关特性及其温度特性

关键要点

・MOSFET的开关特性参数提供导通延迟时间、上升时间、关断延迟时间、下降时间。

・开关特性受测量条件和测量电路的影响较大,因此一般确认提供条件。

・开关特性几乎不受温度变化的影响。

所谓MOSFET-阈值、ID-VGS特及温度特性

关键要点

・使MOSFET导通的电压称为“栅极阈值”。

・VGS恒定的话,ID会随温度上升而增加,因此有些条件需要注意。

・可根据VGS(th)的变化,推算大致的Tj。

所谓MOSFET-超级结MOSFET

关键要点

・Si-MOSFET的产品定位是“以低~中功率高速工作”。

・超级结结构可保持耐压的同时,还可降低导通电阻RDS(ON)与栅极电荷量Qg。

・超级结MOSFET与平面MOSFET相比,具有trr速度更快、irr更大的特性。

所谓MOSFET-高耐压超级结MOSFET的种类与特征

关键要点

・SJ-MOSFET的种类因特性而异。

・SJ-MOSFET与平面MOSFET相比,基本上是低导通电阻、高速的产品,并在致力于实现更低噪声、更低导通电阻及更高速度。

所谓MOSFET-高速trr SJ-MOSFET : PrestoMOS™

关键要点

・PrestoMOS是具备SJ-MOSFET的高耐压、低导通电阻、低栅极总电荷量特征、且实现了内部二极管的反向恢复时间trr高速化的ROHM SJ-MOSFET。

・内部二极管的trr高速化有助于实现逆变器和电机驱动器电路的高效化与小型化。

同时具备MOSFET和IGBT优势的Hybrid MOS

关键要点

・Hybrid MOS是兼备MOSFET和IGBT优势的新结构MOSFET。

・同时具备MOSFET的高速性、在低电流范围的低损耗、IGBT在大电流范围的低损耗特性。

・有利于实现更高的家电APF标准。不仅支持大功率,还可提高低功率范围的效率。

<实际工作中的晶体管适用性确认>

实际工作中的适用性确认和准备

关键要点

・基本上,试制中需要确认所选的晶体管在实际工作过程中是否适用。

・为进行确认,需要测量晶体管处理的电压和电流数据。

确认在绝对最大额定值范围内

关键要点

・准确理解绝对最大额定值的定义和意图,并对适用性作出判断。

确认在SOA(安全工作区)范围内

关键要点

・SOA(Safe Operating Area:安全工作区)是用来确认晶体管是否在安全的条件下工作的信息。

・基本上图表中所示为在D与VDSS之间的关系中,对于额定电压/电流、容许功率(发热)来说安全的范围。

・认真确认SOA的条件,考虑到与实际使用条件的差异之处后再使用。

确认在实际使用温度降额的SOA范围内

关键要点

・SOA曲线图是Ta=25℃的数据,因此需要根据晶体管的实际使用温度对SOA进行降额。

・降额的比率使用容许损耗的降额比率。

确认平均功耗在额定功率范围内

关键要点

・在连续脉冲(开关工作)的情况下,求平均功耗,并确认容许损耗在额定值范围内。

・最终的大原则还是判断Tj是否超过了绝对最大额定值。

确认芯片温度

关键要点

・最终需要确认Tj是否超过了绝对最大额定值。

・Ta或Tc与发热量(热阻×功耗)的和是Tj。

<发挥其特性的应用案例>

什么是PFC

关键要点

・PFC(功率因数改善)是指改善功率因数并使功率因数接近1。

・PFC的方式包括单级和交错式,交错式可分散损耗因而热设计更容易。

・PFC的模式包括临界模式(BCM)和连续模式(CCM),一般大功率电路中使用CCM。

临界模式PFC:利用二极管提高效率的例子

关键要点

・临界模式PFC的二极管VF对损耗影响较大,而trr对损耗的影响则较小。

・对于临界模式控制的PFC,选用VF小的二极管可改善电路效率。

电流连续模式PFC:利用二极管提高效率的例子

关键要点

・在电流连续模式(CCM)PFC中,二极管的trr对损耗影响很大,而VF的影响很小。

・在电流连续模式控制的PFC中,选择trr值小的二极管可改善电路效率。

LED照明电路:利用MOSFET提升效率并降低噪声的案例

关键要点

・PFC部及DC/DC转换器部的开关MOSFET的特性不同,效率也会改变,因此需要充分探讨MOSFET的特性。

空调用PFC电路:利用MOSFET和二极管提高效率的案例

关键要点

・在电流连续模式PFC中,将IGBT+FRD替换为Hybrid MOSFET+SiC SBD可提高效率。

・在该案例中,SiC SBD的高速trr特性、Hybrid MOSFET的低导通电阻+高速开关有助于提高效率。

活用Si(硅)功率器件特征的应用事例