高壓功率器件設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)如何破？

不斷提升能效的需求影響著汽車和可再生能源等多個(gè)領(lǐng)域的電子應(yīng)用設(shè)計(jì)。對(duì)于電動(dòng)汽車 (EV) 而言，更高效率意味著更遠(yuǎn)的續(xù)航里程；而在可再生能源領(lǐng)域，發(fā)電效率更高代表著能夠更充分地將太陽能或風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。

這兩大領(lǐng)域都廣泛采用開關(guān)電子器件，因而又催生了更高電壓器件的需求。電壓和效率之間的關(guān)系遵循歐姆定律，也就是說電路中產(chǎn)生的功耗或損耗與電流的平方成正比。同理，當(dāng)電壓加倍時(shí)，電路中的電流會(huì)減半，因而損耗會(huì)降到四分之一。根據(jù)這個(gè)原理，為了減少傳輸損耗，電力公司通常使用超高電壓來輸送電力，比如英國(guó)的電網(wǎng)電壓常為275,000伏或400,000伏。

電力公司依賴重型變壓器等設(shè)備來處理高傳輸電壓，而汽車和可再生能源領(lǐng)域的情況要更復(fù)雜一些，因?yàn)橄嚓P(guān)應(yīng)用中通常涉及大量電子設(shè)備。

半導(dǎo)體設(shè)計(jì)面臨高電壓挑戰(zhàn)

基于開關(guān)電力電子器件的轉(zhuǎn)換器和逆變器是可再生能源發(fā)電廠和電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組件。雖然MOSFET和IGBT都可以用在相關(guān)系統(tǒng)中，但前者的柵極驅(qū)動(dòng)功率較低、開關(guān)速度更佳且在低電壓下效率更高，所以MOSFET占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)地位，并廣泛用于各類電力電子應(yīng)用。

功率MOSFET主要有三個(gè)作用，即阻斷、開關(guān)和導(dǎo)通（如圖2所示），因此該器件必須滿足每個(gè)階段的要求。

圖2.在開關(guān)階段，MOSFET需要能夠切斷漏極和源極之間的大電壓；

在阻斷階段，MOSFET要能完全承受應(yīng)用的額定電壓；而在導(dǎo)通和開關(guān)階段，又必須滿足對(duì)電路損耗和開關(guān)頻率的要求。導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都會(huì)影響整體效率，更高的開關(guān)頻率有利于搭建更小更輕的系統(tǒng)，而尺寸和重量恰好是電動(dòng)汽車和工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵屬性。

追求更高電壓的趨勢(shì)正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)硅MOSFET的極限，并且實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗和快速開關(guān)時(shí)間所需的低RDS(on)和高柵極電荷值也越來越困難，同時(shí)成本也在不斷攀升。因此，電力電子設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而借助碳化硅(SiC)來實(shí)現(xiàn)更高的效率。SiC是一種寬禁帶材料，與硅相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低和最大電流密度更高等，因此在導(dǎo)電性能方面表現(xiàn)更加優(yōu)異。此外，SiC的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)更高，也就是說較薄的器件就能夠滿足額定電壓的需求，從而能夠大幅縮小器件尺寸。

目前SiC MOSFET能夠承受近10kV的超高電壓閾值，而硅MOSFET能夠承受的電壓閾值僅為1.5kV。此外，SiC器件的開關(guān)損耗較低、工作頻率較高，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)異的效率，尤其適合用于工作溫度較高、熱導(dǎo)率要求高的大電流、高功率應(yīng)用。

安森美 (onsemi) 能夠滿足對(duì)更高電壓的需求

為了滿足對(duì)高擊穿電壓器件日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，安森美構(gòu)建了內(nèi)部端到端SiC制造能力，能夠制造SiC二極管、SiC MOSFET和SiC模塊等一系列產(chǎn)品。

相關(guān)產(chǎn)品系列包括NTBG028N170M1，這是一款擊穿電壓較高的SiC MOSFET，如圖3所示。這款N溝道平面器件針對(duì)高電壓下的快速開關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，VDSS為1700V，擴(kuò)展VGS為-15/+25V。

圖3.安森美的NTBG028N170M1

NTBG028N170M1支持高達(dá)71A的連續(xù)漏極電流(ID)和高達(dá)195A的脈沖漏極電流，且其 RDS(ON) 典型值僅為28mΩ，有助于減少導(dǎo)通損耗。另外，該器件的柵極電荷 (QG(tot)) 非常低，僅為222nC，可確保進(jìn)一步降低高頻工作期間的損耗，此外器件采用D2PAK–7L表面貼裝，可以減小工作期間的寄生效應(yīng)。

安森美EliteSiC系列還包括一系列額定電壓為1700V的SiC肖特基二極管，這些二極管可在整流器等電力電子系統(tǒng)中與MOSFET搭配使用。這些二極管具有較高的最大反向重復(fù)峰值電壓 (VRRM)、較低的正向峰值電壓 (VFM) 和出色的反向漏電流，使設(shè)計(jì)工程師能夠在高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高電壓運(yùn)行。

EliteSiC助力打造高效的電力電子設(shè)計(jì)

在依賴電力電子設(shè)備的應(yīng)用中，對(duì)更高效率的探索從未停歇。隨著系統(tǒng)電壓的不斷提高，傳統(tǒng)的Si-MOSFET無法適應(yīng)未來需求。SiC器件為相關(guān)設(shè)計(jì)人員指明了新方向，使其能夠在提高效率的同時(shí)，縮小器件尺寸，滿足更嚴(yán)格的應(yīng)用要求。安森美的1700V NTBG028N170M1能夠幫助工程師在關(guān)鍵電力電子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高電壓的設(shè)計(jì)。