安森美1200V碳化硅全橋模塊UFB25SC12E1BC3N：性能亮點(diǎn)與應(yīng)用解析

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，碳化硅（SiC）器件憑借其卓越的性能逐漸成為眾多應(yīng)用的首選。安森美（onsemi）推出的UFB25SC12E1BC3N碳化硅共源共柵JFET模塊，以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和出色的性能，在電動(dòng)汽車充電、光伏逆變器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。本文將深入解析該模塊的特點(diǎn)、性能參數(shù)以及應(yīng)用要點(diǎn)，為電子工程師在設(shè)計(jì)中提供參考。

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模塊概述

UFB25SC12E1BC3N是一款基于獨(dú)特“共源共柵”電路配置的碳化硅FET器件。它將常開型碳化硅JFET與硅MOSFET共同封裝，形成常閉型碳化硅FET器件。這種設(shè)計(jì)使得該器件具有類似硅器件的柵極驅(qū)動(dòng)特性，能夠使用單極柵極驅(qū)動(dòng)器，與硅IGBT、硅FET、碳化硅MOSFET或硅超結(jié)器件兼容。

該模塊采用E1B封裝，具有超低的柵極電荷和出色的反向恢復(fù)特性，非常適合用于開關(guān)感性負(fù)載以及任何需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。同時(shí)，先進(jìn)的銀燒結(jié)芯片連接技術(shù)賦予了模塊卓越的熱性能。

關(guān)鍵特性

電氣性能

• 導(dǎo)通電阻：典型導(dǎo)通電阻 (R_{DS (on) }) 為35 mΩ，低導(dǎo)通電阻有助于降低導(dǎo)通損耗，提高系統(tǒng)效率。
• 工作溫度：最高工作溫度可達(dá)150 °C，能夠適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境。
• 反向恢復(fù)特性：反向恢復(fù)電荷 (Q_{rr}=244 nC)，反向恢復(fù)時(shí)間短，可減少開關(guān)損耗。
• 體二極管電壓：低體二極管電壓 (V_{FSD}=1.4 V)，降低了二極管導(dǎo)通時(shí)的損耗。
• 柵極電荷：柵極電荷 (Q_{G}=42.5 nC)，低柵極電荷意味著更快的開關(guān)速度和更低的驅(qū)動(dòng)功率。
• 閾值電壓：閾值電壓 (V_{G(th)}) 典型值為5 V，允許0至15 V的驅(qū)動(dòng)電壓，方便與各種驅(qū)動(dòng)電路配合使用。
• 靜電保護(hù)：具備ESD保護(hù)，達(dá)到HBM Class 2和CDM Class C3標(biāo)準(zhǔn)，提高了器件的可靠性。

熱性能

• 熱阻：每個(gè)開關(guān)的結(jié)到殼熱阻 (R_{BC}) 典型值為0.85 °C/W，最大值為1.1 °C/W，良好的熱阻特性有助于熱量的散發(fā)，保證器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

其他特性

• 環(huán)保特性：該器件無鉛、無鹵素，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，滿足環(huán)保要求。

性能參數(shù)詳解

最大額定值

電氣特性

靜態(tài)特性

• 漏源擊穿電壓：(BV{DS}) 在 (V{GS}=0 V)，(I_{D}=4 mA) 時(shí)為1200 V。
• 總漏極泄漏電流：在 (V{DS}=1200 V)，(V{GS}=0 V)，(T{J}=25 °C) 時(shí)，典型值為8 μA，最大值為150 μA；在 (T{J}=150 °C) 時(shí)，典型值為35 μA。
• 總柵極泄漏電流：在 (V{DS}=0 V)，(T{J}=25 °C)，(V_{GS}=-20V/+20V) 時(shí)，典型值為6 μA，最大值為20 μA。
• 漏源導(dǎo)通電阻：在 (V{GS}=12 V)，(I{D}=25 A)，(T{J}=25 °C) 時(shí)，典型值為35 mΩ，最大值為45 mΩ；在 (T{J}=125 °C) 時(shí)，典型值為55 mΩ；在 (T_{J}=150 °C) 時(shí)，典型值為64 mΩ。
• 柵極閾值電壓：在 (V{DS}=5 V)，(I{D}=10 mA) 時(shí)，典型值為5 V，最小值為4 V，最大值為6 V。
• 柵極電阻：在 (f = 1 MHz)，漏極開路時(shí)，典型值為4.5 Ω。

反向二極管特性

• 二極管連續(xù)正向電流（(T_{C} = 25 °C)）：最大值為36 A。
• 二極管脈沖電流（(T_{C} = 25 °C)）：最大值為175 A。
• 正向電壓：在 (V{GS}=0 V)，(I{S}=20 A)，(T_{J}=25 °C) 時(shí)，典型值為1.4 V，最大值為2 V。
• 反向恢復(fù)電荷：在 (V{DS}=800 V)，(I{S}=25 A)，(V{GS}=0 V)，(R{G}=33 Ω)，(di/dt=2200 A/μs)，(T{J}=25 °C) 時(shí)，典型值為244 nC；在 (T{J}=150 °C) 時(shí)，典型值為227 nC。
• 反向恢復(fù)時(shí)間：在上述條件下，(T{J}=25 °C) 時(shí)為29 ns，(T{J}=150 °C) 時(shí)為28 ns。

動(dòng)態(tài)特性

• 輸入電容：(C{iss}) 在 (V{DS}=800 V)，(V_{GS}=0 V)，(f=100 kHz) 時(shí)，典型值為1450 pF。
• 輸出電容：(C_{oss}) 典型值為94 pF。
• 反向傳輸電容：(C_{rss}) 典型值為1.7 pF。
• 有效輸出電容（能量相關(guān)）：(C{oss(er)}) 在 (V{DS}=0 V) 到 (800 V)，(V_{GS}=0 V) 時(shí)，典型值為120 pF。
• 有效輸出電容（時(shí)間相關(guān)）：(C_{oss(tr)}) 典型值為265 pF。
• 輸出電容存儲(chǔ)能量：(E{oss}) 在 (V{DS}=800 V)，(V_{GS}=0 V) 時(shí)，典型值為38 μJ。
• 總柵極電荷：(Q{G}) 在 (V{DS}=800 V)，(I{D}=25 A)，(V{GS}=-5 V) 到 (15 V) 時(shí)，典型值為42.5 nC。
• 柵漏電荷：(Q_{GD}) 典型值為9.5 nC。
• 柵源電荷：(Q_{GS}) 典型值為15.5 nC。
• 開通延遲時(shí)間：在不同測試條件下，延遲時(shí)間有所不同，例如在 (V{DS}=800 V)，(I{D}=25 A)，柵極驅(qū)動(dòng)器為 -5V 到 +15V，(R{G ON}=22 Ω)，(R{G OFF}=22 Ω)，感性負(fù)載，F(xiàn)WD為相同器件且 (V{GS}=0 V) 和 (R{G}=22 Ω)，(T_{J}=25 °C) 時(shí)，典型值為53 ns。
• 上升時(shí)間、關(guān)斷延遲時(shí)間、下降時(shí)間、開通能量、關(guān)斷能量和總開關(guān)能量等參數(shù)也在不同測試條件下有相應(yīng)的典型值。

典型應(yīng)用

電動(dòng)汽車充電

在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中，該模塊的低導(dǎo)通電阻和出色的開關(guān)性能有助于提高充電效率，減少能量損耗。同時(shí)，其高溫工作能力能夠適應(yīng)充電過程中產(chǎn)生的熱量，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

光伏逆變器

在光伏逆變器應(yīng)用中，模塊的低損耗特性可以提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率，將更多的太陽能轉(zhuǎn)化為電能。此外，其快速的開關(guān)速度有助于改善逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

開關(guān)電源

對(duì)于開關(guān)電源，該模塊的低柵極電荷和良好的反向恢復(fù)特性能夠降低開關(guān)損耗，提高電源的效率和可靠性。

功率因數(shù)校正模塊

在功率因數(shù)校正模塊中，模塊的高性能可以有效提高功率因數(shù)，減少諧波失真，提高電能質(zhì)量。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，模塊的快速開關(guān)和低損耗特性有助于實(shí)現(xiàn)高效的電機(jī)控制，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和性能。

感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱應(yīng)用中，模塊的高頻率開關(guān)能力和低損耗特性能夠滿足感應(yīng)加熱的需求，提高加熱效率。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

PCB布局

由于碳化硅器件具有較高的dv/dt和di/dt速率，因此在PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小電路寄生參數(shù)，以降低電磁干擾（EMI）和開關(guān)損耗。合理的布局可以減少線路電感和電容，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

外部柵極電阻

當(dāng)FET工作在二極管模式時(shí)，建議使用外部柵極電阻，以實(shí)現(xiàn)最佳的反向恢復(fù)性能。合適的柵極電阻可以控制開關(guān)速度和反向恢復(fù)過程，減少開關(guān)損耗和電壓尖峰。

緩沖電路

使用帶有小 (R{(G)}) 的緩沖電路可以提供更好的EMI抑制效果，同時(shí)提高效率。與使用高 (R{(G)}) 值相比，小 (R{(G)}) 能夠更好地控制關(guān)斷時(shí)的 (V{(DS)}) 峰值尖峰和振鈴持續(xù)時(shí)間，并且總開關(guān)損耗更小。

總結(jié)

安森美UFB25SC12E1BC3N碳化硅全橋模塊以其卓越的性能和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，為電子工程師在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。其低導(dǎo)通電阻、出色的反向恢復(fù)特性、良好的熱性能以及與標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器的兼容性，使得該模塊在電動(dòng)汽車充電、光伏逆變器等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要注意PCB布局、外部柵極電阻和緩沖電路的設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該模塊的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用類似碳化硅模塊時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。