1.說明
本應用筆記介紹了 650V IGBT/SiC 混合分離式元件。 說明產品功能，並將這些功能轉化為優勢的用例。
650V SiC混合式分立元件是兩種成熟的一流半導體的技術組合,使用了 IGBT 和 SiC蕭特基特基二極體 。 而結果是一個易於使用的產品並具有優化的性能與低廉的價格。本文檔將針對具有先進分離 IGBT 基礎知識的電力電子工程師。
2. 了解混裝SiC二極體的權衡 近年來，在全球「無碳社會」和「碳中和」等環保風潮中，電動車（xEV）得以日益普及。為了進一步提高系統效率，各種車電裝置的逆變器，以及轉換器電路中使用的功率半導體等，也出現了多樣化需求，超低損耗的SiC功率元件（SiC MOSFET、SiC SBD等），和傳統的Si功率元件（IGBT、SJ-MOSFET等）也都正持續大幅度的技術革新。 「FWSC85N65HBE」是Hybrid型IGBT產品，在IGBT的回流單元（飛輪二極體）中採用了Futurewafer的低損耗SiC蕭特基二極體（SiC SBD），成功降低了傳統IGBT產品導通時的切換損耗。本產品與傳統IGBT產品相比，損耗可降低45%(圖1)，有助以更高的CP值進一步降低車電和工控裝置應用的功耗。
3. 混裝SiC的優點
寬帶隙能量和高場擊穿是碳化矽 （SiC） 的兩個主要特性，它們已被用於製造新一代功率半導體，這些特性具有零反向恢復電荷、顯著降低開關損耗和更高溫度運行的機會。
產品優勢
- 顯著降低開關損耗 - 提高系統效率 - 高溫運行 - 更高的工作頻率- 降低冷卻要求 - 二極體的反向恢復電流為零- 寄生電感低 - 減小系統尺寸/高功率密度
3-1. IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極電晶體）
使用Si基板來生產的功率半導體。IGBT比其他功率半導體的成本更低，但有需要續流二極體才能工作（需要雙晶片結構才能工作）、以及關斷損耗較大等課題；而本次開發上的突破在於，IGBT的續流二極體採用SiC SBD，而非傳統的Si-FRD，成功推出了可以降低損耗Hybrid IGBT。
4. 導通損耗和關斷損耗
兩者均為電晶體等半導體元件切換時產生的損耗（切換損耗）。導通損耗是在元件ON時產生的損耗，關斷損耗是在元件OFF時產生的損耗。 理想情況下，這些損耗應該為零，但實際上，由於結構上的緣故，在ON和OFF之間切換時，不可避免地會流經不必要的電流，從而產生損耗，因此對於功率半導體來說，設法減少這些損耗是非常重要的工作。
5. 便利的使用因素
650V Hybrid SiC混合分離元件最有趣的功能之一是可以採用即插即用設計方法,直接取代傳統IGBT，大幅提升系統性能。 由於驅動器、電源、閘極電壓以及閘極電阻可以保持不變，設計工作實際上為零。
理想情況下，選擇應用 650V Hybrid SiC混合分離元件於每個開關週期都會發生硬換向的電路位置。 在這種情況下，將使得每 10kHz 開關頻率，效率提高約 0.1%。
5-1圖騰柱 PFC 電路的高速支路
最廣泛使用的單相主動整流解決方案可能是圖 3) 所示的升壓 PFC。 它結構簡單，控制簡單，只需一個開關即可實現。 需要一座橋式整流器。 考慮到整流二極體在所有時間點都位於電流路徑中，並且每個 二極體會導致約 1V 的壓降，橋式整流器的效率損失接近 1%。雖然有些需要第二個升壓電感器而導致嚴重的 EMC 干擾，但圖 4) 和 5) 中所示的圖騰柱 PFC 並沒有這些副作用。
6. 總結
Hybrid SiC混合分離式元件結合了兩種成熟的半導體技術： IGBT 和 SiC蕭特基二極體 。 這使得產品具有類似SiC MOSFET的性能 ，但成本更低。 由於Hybrid SiC混合分離式元件基於廣泛使用的IGBT 技術，因此設計很簡單：閘極驅動器、電源和閘極電壓可以保持不變,可直接替代目前IGBT，甚至閘極電阻也可以保持相同。 設計上毫不費力，使用 Hybrid SiC混合分離式元件可實現更高的效能改進，開關損耗降低，效率顯著提高。 適用於許多應用的一個簡單經驗法則是，每10kHz 開關頻率效率提高約 0.1% 。 當然，這是增加輸出功率、減少 冷卻工作或增加開關頻率。 最後但並非最不重要的一點是，Hybrid SiC混合分離式元件有助於改善電磁相容性. 由於SiC蕭特基二極體的單極性質，不存在等離子體支撐的反向電流可能會突然斷掉而導致過壓和過度振鈴。 Hybrid SiC混合分離式元件可用於許多不同的應用，例如三電平轉換器或圖騰柱 PFC 電路等。 理想情況下，SiC蕭特基二極體在每個開關週期都會經歷一次硬換向。 這就是SiC蕭特基二極體發揮其威力的地方。
