Si對比SiC MOSFET 改變技術(shù)—是正確的做法

相比基于硅(Si)的MOSFET，基于碳化硅(SiC)的MOSFET器件可實現(xiàn)更高的效率水平，但有時難以輕易決定這項技術(shù)是否更好的選擇。本文將闡述需要考慮哪些標準因素。

超過 1000 V 電壓的應(yīng)用通常使用IGBT解決方案。但現(xiàn)在的SiC 器件性能卓越，能夠?qū)崿F(xiàn)快速開關(guān)的單極組件，可替代雙極 IGBT。這些SiC器件可以在較高的電壓下實施先前僅僅在較低電壓 (<600 V) 下才可行的應(yīng)用。與雙極 IGBT 相比，這些基于 SiC 的 MOSFET 可將功率損耗降低多達 80%。

英飛凌進一步優(yōu)化了 SiC器件的優(yōu)勢特性——通過使用CoolSiC Trench 技術(shù)，可以實現(xiàn)具有極高閾值電壓 (Vth) 和低米勒電容的 MOSFET器件。相比其他 SiC MOSFET ，它們對于不良的寄生導(dǎo)通效應(yīng)更具彈性。除了 1200 V 和 1700 V 型號之外，英飛凌還擴展了產(chǎn)品組合，加入了650 V CoolSiC MOSFET，該器件也可用于 230 V 電源應(yīng)用。這些SiC器件具有更高的系統(tǒng)效率和穩(wěn)健性，以及更低的系統(tǒng)成本，適用于電信、服務(wù)器、電動汽車充電站和電池組等應(yīng)用。

如果在基于Si的成熟MOSFET技術(shù)，和基于 SiC 的較新 MOSFET之間進行選擇，需要考慮多種因素。

應(yīng)用效率和功率密度

與Si器件相比，SiC器件的RDSon在工作溫度范圍內(nèi)不易發(fā)生波動。使用基于 SiC 的 MOSFET，RDSon 數(shù)值在 25°C到100°C溫度之間僅僅偏移大約 1.13 倍，而使用典型的基于Si MOSFET（例如英飛凌的 CoolMOSTM C7器件）時，RDSon 則會偏移1.67 倍。這表明針對基于SiC 的 MOSFET器件，工作溫度對于功率損耗的影響要小得多，因而可以采用高得多的工作溫度。因此，基于 SiC 的 MOSFET 非常適合高溫應(yīng)用，或者可以使用較簡單的冷卻解決方案來實現(xiàn)相同的效率水平。

圖片來源：儒卓力

與 IGBT 相比，基于 SiC 的 MOSFET 具有較低的電導(dǎo)損耗以及可降低多達 80% 的開關(guān)損耗。(在使用英飛凌650 V CoolSiC MOSFET的示例中)

驅(qū)動器

當(dāng)從Si轉(zhuǎn)換到SiC時，其中一個問題是選擇合適的驅(qū)動器。如果基于Si的 MOSFET 驅(qū)動器產(chǎn)生的最高柵極導(dǎo)通電壓不超過15 V，它們通常可以繼續(xù)使用。然而，高達 18 V柵極導(dǎo)通電壓可以進一步顯著降低電阻 RDSon（在 60°C 時可降低多達 18%），因此，值得考慮改用其它驅(qū)動器。

另外還建議避免在柵極處出現(xiàn)負電壓，因為這會導(dǎo)致 VGS(th)發(fā)生偏移，從而使 RDSon 隨著工作時間延長而增加。在柵極驅(qū)動環(huán)路中，源極電感上的電壓降導(dǎo)致高 di/dt，這可能引起負VGS(off)電平。很高的 dv/dts 帶來了更大的挑戰(zhàn)，這是由于半橋配置中第二個開關(guān)的柵極漏極電容引起的?？梢酝ㄟ^降低 dv/dt 來避免這個問題，但代價是效率的下降。

限制負柵極電壓的最佳方法是通過開爾文源極概念使用單獨的電源和驅(qū)動器電路，并集成二極管鉗位。位于開關(guān)的柵極和源極之間的二極管鉗位限制柵極出現(xiàn)負電壓。

反向恢復(fù)電荷 Qrr

特別針對使用導(dǎo)通體二極管進行連續(xù)硬換向的諧振拓撲或設(shè)計，還必須考慮反向恢復(fù)電荷 Qrr。當(dāng)二極管不再導(dǎo)電時，這是必須從集成的體二極管中去除的電荷（存在于所有二極管中）。各組件制造商都做出了巨大的努力，以便盡可能地降低這種電荷。英飛凌的“Fast Diode CoolMOS”系列就是這些努力成果的示例。它們具有更快速的體二極管，與前代產(chǎn)品相比，可以將 Qrr 降低 10 倍。英飛凌的 CoolSiC 系列在這方面取得了進步，與最新的 CoolMOS 組件相比，這些SiC MOSFET 實現(xiàn)了10 倍的性能改進。

Trench 技術(shù)極大程度地減少了使用中的功率損耗，并提供了極高的運行可靠性。

采用CoolSiC技術(shù)，用戶可以開發(fā)具有更少組件和磁性元件及散熱器的系統(tǒng)，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計，并減低體積和成本。借助Trench 技術(shù)，這些組件還保證達到極低的使用損耗和極高的運行可靠性。

功率因數(shù)校正 (PFC)

目前行業(yè)的重點是提高系統(tǒng)效率。為了實現(xiàn)至少 98% 的效率數(shù)值，業(yè)界針對功率因數(shù)校正 (PFC)付出了很多努力。具備優(yōu)化 Qrr 的 基于SiC MOSFET 有助于實現(xiàn)這一目標。它們可以實現(xiàn)用于PFC的硬開關(guān)半橋/全橋拓撲。針對CoolMOS 技術(shù)，英飛凌先前推薦“三角電流模式(Triangular Current Mode)”方法，但使用 SiC 器件可以實現(xiàn)具有連續(xù)導(dǎo)通模式的圖騰柱 PFC。

輸出電容 COSS

在硬開關(guān)拓撲中必須消耗存儲的能量 EOSS；對于最新的 CoolMOS型款，這種能量通常較大。然而，與圖騰柱 PFC 的導(dǎo)通損耗相比，它仍然相對較低，因此可以忽略不計，至少初期如此。較低的電容意味著可以從更快的開關(guān)速度中受益，但這也可能引起導(dǎo)通期間的漏極源極電壓過沖 (VDS)。

針對基于Si的 MOSFET，可以通過使用外部柵極電阻加以補償，以降低開關(guān)速率，并且在漏源處實現(xiàn)所需的 80% 電壓降額。這種解決方案的缺點是增加電流會導(dǎo)致更多開關(guān)損耗，尤其是在關(guān)斷期間。

在50 V漏源電壓下，基于 SiC 的 MOSFET 的輸出電容要大于可比較的基于 Si 的功率半導(dǎo)體器件，但 COSS/VDS 的關(guān)系更加線性。其結(jié)果是，相比基于 Si 的MOSFET型款，基于 SiC 的 MOSFET 允許在相同的電路中使用較低的外部電阻，而不會超出最大漏源電壓。這在某些電路拓撲中是有利的，例如在 LLC 諧振 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，可以省去額外的柵極電阻器。

結(jié)論

盡管SiC技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢，但基于Si的 MOSFET不一定會過時。部分原因是由于體二極管的閾值電壓要高得多，直接使用基于 SiC 的型款來替換基于 Si 的 MOSFET，將會導(dǎo)致體二極管的功率損耗增加四倍，基本上抵消了效率增益。如要真正受益于基于 SiC 的 MOSFET 的更高效率，必須在 MOSFET 通道上使用 PFC 的升壓功能，而不是在體二極管上反向使用。還必須優(yōu)化死區(qū)時間性能，以充分利用基于 SiC 的 MOSFET 的優(yōu)勢。

作者：儒卓力功率產(chǎn)品銷售經(jīng)理 Hannah Metzner和英飛凌 PSS 部門高級工程師 René Mente