在高頻直流—直流轉換器內使用650V碳化硅MOSFET的好處

　　摘要

　　本文評測了主開(kāi)關(guān)采用意法半導體新產(chǎn)品650V SiC MOSFET的直流-直流升壓轉換器的電熱特性，并將SiC碳化硅器件與新一代硅器件做了全面的比較。測試結果證明，新SiC碳化硅開(kāi)關(guān)管提升了開(kāi)關(guān)性能標桿，讓系統具更高的能效，對市場(chǎng)上現有系統設計影響較大。

　　前言

　　市場(chǎng)對開(kāi)關(guān)速度、功率、機械應力和熱應力耐受度的要求日益提高，而硅器件理論上正在接近性能上限。

　　寬帶隙半導體器件因電、熱、機械等各項性能表現俱佳而被業(yè)界看好，被認為是硅半導體器件的替代技術(shù)。在這些新材料中，兼容硅技術(shù)制程的碳化硅(SiC)是最有前景的技術(shù)。碳化硅材料的電氣特性使其適用于研制高擊穿電壓器件，但是，遠高于普通硅器件的制造成本限制了其在中低壓器件中的推廣應用。在600V電壓范圍內，硅器件的性能非常好，性?xún)r(jià)比高于碳化硅器件。不過(guò)，應用要求芯片有更高的性能，而硅器件已經(jīng)達到了極限。最近幾年，人們更加關(guān)注環(huán)境、能效和污染問(wèn)題，導致電氣能效標準趨嚴，這不只限于大功率應用，還包括低負載應用?，F在，開(kāi)關(guān)頻率可以更高，同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗可以降至更低，本文介紹的650V碳化硅晶體管特別適合這種應用場(chǎng)景。

　　第一章

　　表1是4H SiC碳化硅器件與硅器件的特性比較表。如表1所示，碳化硅的寬帶隙使電力電子器件具有很多優(yōu)異特性。

　　表1. 碳化硅與硅材料特性比較

　　更高的關(guān)鍵應用準許使用摻雜程度更高的超薄裸片，使其損耗比其它芯片低很多。碳化硅熱導率比硅器件高出很多，因此，功率損耗散熱導致的溫降在整個(gè)器件上都比較低。因為碳化硅的熔點(diǎn)溫度更高，可以工作在400 °C范圍內，這些特性讓人們更加看好碳化硅器件在開(kāi)關(guān)速度、損耗、Rdson導通電阻、擊穿電壓方面的性能表現。事實(shí)上，擊穿電壓高于1200V的碳化硅器件深受市場(chǎng)歡迎。是否選擇超高擊穿電壓的碳化硅器件，不僅要考慮電氣特性，還要考慮碳化硅的制造成本高于硅器件。對于600V電壓以下碳化硅產(chǎn)品，以前市面上只有2吋或3吋碳化硅晶圓片，而且生產(chǎn)設備非常昂貴，因此，碳化硅器件的性?xún)r(jià)比不如硅器件。今天，4吋和6吋碳化硅晶圓片非常常見(jiàn)，市場(chǎng)對碳化硅器件需求增長(cháng)可以讓廠(chǎng)商降低制造成本。600V SiC MOSFET開(kāi)始出現在市場(chǎng)上，具有令人感興趣的特性，適用于各種應用領(lǐng)域。

　　新器件: 650V SiC MOSFET

　　如前文介紹，硅功率MOSFET器件的性能正在接近極限。意法半導體開(kāi)發(fā)出一個(gè)60兆歐姆 /650 SiC MOSFET產(chǎn)品原型，克服了600V功率MOSFET的性能極限。為證明這款650V SiC MOSFET的優(yōu)勢，我們將其與當前最先進(jìn)的超結功率MOSFET對比。表 2 列出了這兩種對比器件的電氣參數。為了使測試條件具有可比性，我們選擇兩款150°C時(shí)RDSon參數相似的硅器件和碳化硅器件。

　　表2.

　　不難發(fā)現，Rdson參數對應的熱導系數不同。如圖1所示，碳化硅器件的Rdson基本上與溫度無(wú)關(guān)，最高結溫高于同級的硅器件，這準許工作溫度更高，而不會(huì )導致?lián)p耗增加。開(kāi)關(guān)損耗也是如此，見(jiàn)圖2。

　　圖1：歸一化Ron SiC MOSFET與硅MOSFET對比

　　圖2：SiC Eoff-溫度曲線(xiàn)

　　兩個(gè)器件的另一個(gè)重差別是驅動(dòng)這兩個(gè)器件完全導通需要不同的柵電壓，硅MOSFET是10V，碳化硅MOSFET是20V。

　　案例研究: 升壓轉換器

　　我們在一個(gè)標準升壓轉換器(圖3)內對比分析650V SiC MOSFET與先進(jìn)的硅器件，為了解650V SiC MOSFET的特性，我們用100 Khz和200KHz開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行對比。

　　圖3：升壓轉換器

　　測試條件如下:

　　VIN=160V，VOUT=400V，POUTmax=1600W，占空比=60%，升壓二極管 = 碳化硅STPSC2006。柵驅動(dòng)條件:

　　· 硅MOSFET: VGS=0/10V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω

　　· 碳化硅MOSFET: VGS=0/20V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω

　　為降低外部因素對測試結果的影響，我們選用了封裝(TO247)相同的硅MOSFET和碳化硅MOSFET，安裝相同的空氣冷卻式散熱器，記錄并比較在各種負載條件下的能效。如圖4(a)和(b)所示，在fsw=200KHz時(shí),碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)特性?xún)?yōu)于硅器件(100 Khz開(kāi)關(guān)頻率也是如此)，從圖5 (a)和(b)的能效和熱曲線(xiàn)不難看出，碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)特性明顯優(yōu)于硅器件。

　　圖4(a)Eoff，開(kāi)關(guān)損耗

　　圖4(b)Eon，開(kāi)關(guān)損耗

　　圖5(a)滿(mǎn)負載時(shí)的能效

　　圖5(b)滿(mǎn)負載時(shí)的溫度

　　在100 Khz和200 KHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，兩個(gè)測試顯示，碳化硅MOSFET能效更高，封裝溫度更低。從圖中不難看出，當高頻率開(kāi)關(guān)時(shí)，碳化硅的優(yōu)勢比較突出。

　　結論

　　新650V碳化硅MOSFET是面向高能效系統的最新產(chǎn)品。在硬開(kāi)關(guān)應用中，這款產(chǎn)品能夠提高能效，采用新的熱管理方法，提高了功率/立方厘米比。對于其固有參數，這款產(chǎn)品將能夠用于軟開(kāi)關(guān)應用，這是將來(lái)的研發(fā)目標。