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宽禁带应用趋势
据市场调研机构IHS,从2016年到2027年SiC和GaN应用将激增,包括电动/混动汽车及充电桩基础设施、太阳能逆变器、电源、工业电机驱动、不间断电源(UPS)、军事/航空等应用领域,其中电动/混动汽车、太阳能逆变器、电源将是主要的应用市场。 图1直观地表示了各功率器件的频率、输出功率及汽车宽禁带应用。Si的功率覆盖范围较广,但频率不上去。超级结(SJ)的产品可以提高工作频率,使用的范围更广一点。SiC相对具有高频、高功率的能力,但频率范围比GaN低一点,而GaN有最高频率范围,功率却相对低一点。 以汽车应用为例,在汽车功能电子化的趋势下,为实现更高的能效,要提高电池电压,这就需要考虑宽禁带方案。如SiC可用于要求小型化、高功率的应用,如牵引逆变器,采用400 V电池的逆变器能效增加65%,采用800 V电池的逆变器能效提升则可达80%。 GaN则在车载充电(OBC)方面更有优势,因为OBC的可用空间有限,而GaN频率范围更高,可缩减系统体积,降低开关损耗,实现更高能效。 封装将是市场上宽禁带产品用于汽车的关键:高功率模块用于逆变器以优化散热,减小尺寸;为支持高能效的高频开关,需采用极低电感的封装或模块用于OBC。 图1:各类功率器件的频率、输出功率范围及汽车宽禁带应用 当然,还有很多系统采用Si技术就可以满足需求,宽禁带器件的成本比硅器件要高,所以需要根据应用需求和成本去综合考量具体使用哪一种技术,以优化设计。安森美半导体的优势在于拥有全系列Si、SJ、SiC和GaN技术以支持客户。 |
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安森美半导体的二极管具有同类最佳的性能和可靠性
SiC二极管没有反向恢复电流,开关性能与温度无关,这比硅二极管大大降低了开关损耗,具有更佳的热性能,从而实现更高能效。更快的开关还支持设计人员减少磁性线圈和相关的无源器件的尺寸,从而增加功率密度,降低物料单(BOM)成本。SiC产品能稳定的开关于宽温度范围,零电压恢复消除了电压过冲也有助于SiC的高性能。 安森美半导体的SiC技术具有独特的专利终端结构,进一步加强可靠性并提升稳定性和耐用性,提供更高的雪崩能量、业界最高的非钳位感应开关(UIS)能力和最低的漏电流。安森美半导体的650 V和1200 V SiC技术结合优越的开关性能、更高可靠性和低电磁干扰(EMI),非常适合下一代电源转换应用,如太阳能逆变器、电源、电动汽车和工业自动化。其中,650 V、1200 V SiC二极管系列分别提供6 A到50 A、5 A到50 A的额定电流,都提供表面贴装和通孔封装,包括TO-247、TO-220、D2PAK、DPAK和易于以现有的电路板制造能力整合的裸片/晶圆,且都具有零反向恢复、比同类最佳的竞争器件更低的正向电压、不受温度影响的电流稳定性、承受更高的浪涌电流和正温度系数,从而实现极佳的强固性。 例如,安森美半导体1200 V、15 A的一款SiC二极管,雪崩电流接近200 A (3500 A/cm2),8.2 ms 脉冲可以承受158 A (>10倍 额定值) 非破坏性的浪涌电流,33 µs 脉冲可以承受740 A更高的浪涌电流,而小很多的电流将会使一个平面肖特基二极管发生故障。我们在85C/85% RH的高温度/湿度/偏置VCE=960V的测试条件下进行了对比测试,结果显示,竞争SiC器件(1200V、8A)在168小时后发生故障,而安森美半导体SiC器件(1200V, 10A)通过了1000小时的测试,可见安森美半导体的SiC二极管的可靠性更高。 表1. 安森美半导体的650 V SiC二极管 表2. 安森美半导体的1200 V SiC二极管 其中,FFSHx0120和FFSHx065是符合AEC-Q101车规的汽车级SiC二极管,能在恶劣的电气环境中可靠地工作,为汽车应用带来能效、性能、功率密度等多方面的显著优势。 SiC MOSFET门极驱动器用于高性能的工业逆变器和电机驱动器 SiC MOSFET有独特的门极驱动要求。安森美半导体的NCP51705 是经优化的SiC MOSFET门极驱动器,具备高度的灵活性和集成度,能高效、可靠地驱动市场上任何SiC MOSFET。峰值输出电流高达6 A,正额定电压可扩展,集成负压充电泵,能提供-5 V驱动电压,可调的欠压保护(UVLO),退饱和(DESAT)检测短路保护,过热关断保护。NCP51705支持设计人员根据需求进行调试,具有简单的BoM,无需额外的DC-DC电路,提供负压实现快速关断,采用4 mm x 4 mm QFN24的极小封装,适用于工业逆变器、电机驱动、高性能功率因数校正(PFC)、AC-DC及DC-DC转换器。图2所示为SiC MOSFET门极驱动器NCP51705的典型线路图。 图2:典型的半桥隔离门极驱动电路 SiC MOSFET门极驱动器要点包括:
为加速设计,安森美半导体提供一个重点围绕宽禁带方案的独一无二的生态系统,包括SiC、GaN、门极驱动、创新的封装和先进的仿真工具SPICE模型。该SPICE模型直观、准确、具预测性,支持系统级仿真,设计人员可有把握地仿真数据表中未涵盖的工作条件,从而提前在仿真过程进行评估,加快开发流程。该SPICE模型还可连接到多种行业标准的仿真平台端口。 总结 宽禁带产品提供卓越的性能优势,将越来越多地用于太阳能逆变器、电动汽车、数据中心等高压电源应用,但目前成本压力较大,而有些系统其实用硅方案就可满足需求,所以硅方案也是有很大的使用空间,并且超级结技术可延展硅的使用场景。安森美半导体作为全球第二大电源半导体供应商,提供适合全功率范围的高性能硅方案、650 V和1200 V SiC二极管,并即将推出1200V SiC MOSFET和650V GaN MOSFET,配以先进的封装技术和直观、准确的SPICE模型,有助于提供一个完整的生态系统,帮助设计人员以适当的成本实现最适合应用所需的优化的设计,并加快设计进程。 |
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