新型Cree碳化硅功率器件的高性能电源应用.pdf

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HighPerformanceSiliconCarbidePowerHighPerformanceSiliconCarbidePowerMOSFETApplicationsCreePowerOct2012Cree:

theworldslargestpureplayWBGcompanyCopyright2012,Cree,Inc.pg.2Foundedin1987Publicsince1993（Nasdaq:

CREE）HeadquarteredinDurham,NCStrongpatentportfolio848U.S.patentsand1459foreignpatentsGlobalReach12majorlocations5400employeesFiscal2011Revenues$1.2B*IncludingRuudLightingAcquisition25YearsofSiCandGaNwidebandgapwafer,epianddeviceexperience.InvestmentinR&Ddrivinginnovation$59M$71M$81M$100+M2008200920102011Copyright2012,Cree,Inc.pg.3AdvancementsinSchottkydiodesandMOSFETsLarger,lowdefectwafersReliabilityenhancementsOptimizedpackagesanddiesalestoleadingpowermodulemakersProofoftechnologyleadershipIssuedPatentsPendingApplicationsU.S.848878TheCreeIPportfolio&scaleislargeenoughtoprovideindemnitythatmatters.Copyright2012,Cree,Inc.pg.4Note:

AlltotalsincludeexclusivelylicensedpatentsU.S.848878Non-U.S.1,4592,213Total2,3073,091PowerSpecificIP:

313US,566non-USpatentsissued151US,460non-USpatentspendingCreebusinessesCreeCreeCopyright2012,Cree,Inc.pg.5CreeCreeSiC/GaNSiC/GaNMaterialsMaterialsWideBandgap（宽宽宽宽禁禁禁禁带带带带）Semiconductors宽宽宽宽禁禁禁禁带带带带半半半半导导导导体材料体材料体材料体材料（Eg大于或等于大于或等于大于或等于大于或等于3.2ev）被称被称被称被称为为为为第三代半第三代半第三代半第三代半导导导导体材料体材料体材料体材料。

主要包括金主要包括金主要包括金主要包括金刚刚刚刚石石石石、SiC、GaN等等等等。

和第一代和第一代和第一代和第一代、第二第二第二第二代半代半代半代半导导导导体材料相比体材料相比体材料相比体材料相比，第三代半第三代半第三代半第三代半导导导导体材料具有禁体材料具有禁体材料具有禁体材料具有禁带宽带宽带宽带宽度大度大度大度大，电电电电子漂移子漂移子漂移子漂移饱饱饱饱和速度高和速度高和速度高和速度高、介介介介电电电电常数小常数小常数小常数小、导电导电导电导电性能好的特点性能好的特点性能好的特点性能好的特点，其其其其本身具有的本身具有的本身具有的本身具有的优优优优越性越性越性越性质质质质及其在微波功率器件及其在微波功率器件及其在微波功率器件及其在微波功率器件领领领领域域域域应应应应用中潜在用中潜在用中潜在用中潜在的巨大前景的巨大前景的巨大前景的巨大前景，非常适用于制作抗非常适用于制作抗非常适用于制作抗非常适用于制作抗辐辐辐辐射射射射、高高高高频频频频、大功率和高密大功率和高密大功率和高密大功率和高密的巨大前景的巨大前景的巨大前景的巨大前景，非常适用于制作抗非常适用于制作抗非常适用于制作抗非常适用于制作抗辐辐辐辐射射射射、高高高高频频频频、大功率和高密大功率和高密大功率和高密大功率和高密度集成的度集成的度集成的度集成的电电电电子器件子器件子器件子器件.Cree公司具有公司具有公司具有公司具有SiC和和和和GaN从材料到器件的一整套从材料到器件的一整套从材料到器件的一整套从材料到器件的一整套产产产产品技品技品技品技术术术术,其中其中其中其中SiC主要用于功率器件的主要用于功率器件的主要用于功率器件的主要用于功率器件的产产产产品品品品,GaN主要用在射主要用在射主要用在射主要用在射频频频频产产产产品中品中品中品中.Copyright2010,Cree,Inc.pg.6CreePowerslatestinnovationsDCreeSiCMOSFETs;aneweraofpowerswitchesHighestenergyefficiencyandfastestswitchingspeedsversusanycomparablesiliconpowerswitch1200V80m,160mtoday1700VcomingsoonZ-RecTM1200VSchottkydiodes1200VZ-RecTMExpandedPortfolioCurrentIF（AVG）1.7A50APackageOptionsTO-220,TO-247,TO-252,BareDieTruenormally-offMOSFETLowRdsonacrossoperatingrangeSimpledriverequirementsEasydesign-inCopyright2012,Cree,Inc.pg.7GS0.05.010.015.020.025.00500100015002000ReverseCurrent（mA）ReverseBias（V）5thgenerationSiCdesignLowcapacitanceforfastswitchingandultra-lowswitchinglossesSmalldiesize,newlowercost-Ruggednessandreliability:

HighersurgeratingsAvalanchebreakdowncharacteristicsDMOSFETCrossSectionOXIDEP-BASEN+N+P-BASEN+N+SOURCESOURCEGATEOneCellCopyright2010,Cree,Inc.pg.8pg.8N+N+N-DRIFTREGIONN-DRIFTREGIONDRAINRDS（on）=Rdrift+Rjfet+Rchannel1.2kVBulkResistanceComparisonMaterialSystemEC（MV/cm）bulk（cm2/V-s）d（m）Nd（cm-3）RD（m-cm2）Silicon0.21500909.7E133904H-SiC260098.2E151.12BDCSdqd）Vd（E2N=dbulkDNqdR=WhereCopyright2010,Cree,Inc.pg.9pg.9WhereRD=specificresistance（-cm2）（电电电电阻率阻率阻率阻率）BVBD=breakdownvoltage（V）（阻隔耐阻隔耐阻隔耐阻隔耐压压压压）d=thickness（厚度厚度厚度厚度）Nd=numberofdonorspercm3（单单单单位立方的位立方的位立方的位立方的电电电电子子子子）EC=criticalelectricfield（V/cm）（临临临临界界界界电场强电场强电场强电场强度度度度）bulk=electronmobilityinbulk（电导电导电导电导率率率率）=materialpermittivity（介介介介电电电电率率率率）SiCMajorAdvantage:

kV2.1VSidriftSiCdriftBD3551RR=SiCVsSi:

耐耐耐耐压压压压:

x10热热热热导导导导率率率率:

x3Tj结结结结温温温温200度度度度MOSRDS（on）vs.TempComparisonSiMOSRDS（on）varies250%from25Cto150CCopyright2010,Cree,Inc.pg.10pg.10SiCDMOSRDS（on）varies99%6.Applications:

PVSolarInverterSolarPanelSolarPanelMPPTBoostStageGDSGDSInverterStageo+-Vd/2Vd/2CMF20120DC4D20120DC4D20120DInverterStageABCABCSolarPanelGDSAChannelBChannelReferenceDesignBlockDiagramforCree10KWBooststageofSolarInverterCMF20120DGDSUCC28220InterleavedPWMControllerVsense,CSA&CSBGDAGateDriverforAchannelGateDriverforBchannelGDBAuxiliaryFlybackPower18Vand-2Vforsystem10KWBoostDemoSchematicsofPowerStageBypassSiDiodeVoltageFeedbackControlLoopCMF20120DCMF20120DC4D20120DC4D20120DOutputOVPInterleavedPWMControllerUCC2822010KWBoostDemoSchematicsofGateDriverDaughterBoardOpto-coupler+18VforTurnon2VforTurnoffOpto-couplertoisolated-2VwithGNDIXYS6AgatedriverICIXDN609SI-2VforTurnoffDemoBoardofCree10KW（2x5KW）InterleavedBoostConverterVgs&InductorCurrent245mmx150mmx90mm（NoincludeInductorandoutputcapacitor）Efficiencycurvefor10KW（2x5KW）BoostConverter97.0%97.5%98.0%98.5%99.0%99.5%EfficiencyEfficiencyCurveof10kWInterleavingBoostNote:

1.Theresistorloadingislimitedto8KW;2.Theturnonresistoris15ohmandturnoff12.5ohmtodampgateringing95.0%95.5%96.0%96.5%97.0%5%20%40%60%75%Effi