SiC MOSFET——降低功率損耗，邁向碳中和

功率器件的興起帶動了電力電子產(chǎn)業(yè)的全面革命，功率半導(dǎo)體器件作為電力電子設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，直接影響著這些電力電子設(shè)備的成本和效率。電力電子未來發(fā)展的趨勢之一是使用更高的開關(guān)頻率以獲得更緊密的系統(tǒng)設(shè)計，在高開關(guān)頻率高功率的應(yīng)用中SiC器件優(yōu)勢明顯，這就使得SiC MOSFET在5G****、工業(yè)電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統(tǒng)以及能源儲存等場景中的需求量不斷提升。

SiC MOSFET的特性

基于SiC材料的器件擁有比傳統(tǒng)Si材料制品更好的耐高溫耐高壓特性,從而能獲得更高的功率密度和能源效率。由于碳化硅（SiC）的介電擊穿強(qiáng)度大約是硅（Si）的10倍，允許使用更薄的漂移區(qū)來維持更高的阻斷電壓，這使得SiC功率器件可以提供高耐壓和低壓降。更薄以及更高注入的漂移區(qū)可以帶來更低的正向壓降以及導(dǎo)通損耗，與相同耐壓條件下的Si相比，SiC器件中的單位面積導(dǎo)通電阻更低。

另一方面，由于SiC MOSFET是單極器件，即便在高壓產(chǎn)品中，也只能通過電子工作，因此不會產(chǎn)生拖尾電流；同時，與Si IGBT相比，其關(guān)斷損耗也較低。因此，SiC MOSFET能夠在高頻范圍內(nèi)運(yùn)行，這對于Si IGBT來講，是很難實(shí)現(xiàn)的。此外，無源元件也有助于設(shè)計小型化。

SiC材料擁有3.7W/cm/K的熱導(dǎo)率，而硅材料的熱導(dǎo)率僅有1.5W/cm/K，更高的熱導(dǎo)率可以帶來功率密度的顯著提升?？梢哉fSiC材料的出現(xiàn)使得MOSFET及肖特基二極管的應(yīng)用范圍可以推廣到高壓領(lǐng)域。

圖1 柵極輸入電荷和導(dǎo)通電阻

與傳統(tǒng)的硅Si IGBT（低柵極輸入電荷等）相比，東芝的TW070J120B 1200V SiC MOSFET可提供更高的開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和高柵極電壓閥值（Vth），可預(yù)防故障；較寬的柵極-源極電壓（VGSS），支持更簡單的柵極驅(qū)動設(shè)計。

TW070J120B的V_GSS，V_th與其他公司產(chǎn)品的比較

使用SiC MOSFET的好處是什么？

我們以使用SiC MOSFET的2kVA輸出單相逆變器為例，分析使用SiC MOSFET的好處是什么。

將現(xiàn)有產(chǎn)品電路中的IGBT被替換為TW070J120B。相電流為10A時的開關(guān)損耗將導(dǎo)致2.5W的開通損耗和1.5W的關(guān)斷損耗。開關(guān)損耗的顯著降低在很大程度上歸功于SiC MOSFET增強(qiáng)的開關(guān)特性。

通過用TW070J120B替換IGBT，導(dǎo)通和關(guān)斷損耗顯著降低，總損耗降低了5.9W（從14.4W降低到8.5W）。SiC MOSFET由于碳化硅（SiC）特有特性（及其寬帶隙特性），實(shí)現(xiàn)了高耐壓、低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)特性。與IGBT不同，新器件結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生拖尾電流，這意味著可將開關(guān)損耗保持在較低水平。通過更改此處提及的現(xiàn)有2kVA單相逆變器產(chǎn)品的開關(guān)元件（將IGBT替換為SiC MOSFET），額定運(yùn)行期間每個器件的損耗將從14.4W降至僅8.5W，這相當(dāng)于損耗降低了約41%。這主要?dú)w功于SiC MOSFET卓越的開關(guān)能力。

除了降低損耗外，SiC MOSFET在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的工作特性，可簡化現(xiàn)有散熱措施。此外，由于開關(guān)損耗非常低，系統(tǒng)可在比IGBT開關(guān)可支持頻率更高的頻率下運(yùn)行。如能提高開關(guān)頻率，就可以降低外圍器件（線圈和電容器）的使用，從而節(jié)省空間和成本，并使產(chǎn)品具有更大的競爭優(yōu)勢。

在升級為SiC MOSFET過程中，東芝除了成功解決了功率損耗問題，東芝還提供了大量的額外技術(shù)支持。東芝正持續(xù)地開發(fā)新創(chuàng)新技術(shù)，以持續(xù)提高SiC MOSFET性能，并擴(kuò)大基于碳化硅（SiC）的功率器件產(chǎn)品線，為碳中和的目標(biāo)而努力。