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(shí)現更高的效率水平，但有時(shí)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(guò) 1000 V 電壓的應用通常使用IGBT解決方案。但現在的SiC 器件性能卓越，能夠實(shí)現快速開(kāi)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(shí)施先前僅僅在較低電壓 (<600 V) 下才可行的應用。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(jìn)一步優(yōu)化了 SiC器件的優(yōu)勢特性——通過(guò)使用CoolSiC Trench 技術(shù)，可以實(shí)現具有極高閾值電壓 (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通效應更具彈性。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 電源應用。這些SiC器件具有更高的系統效率和穩健性，以及更低的系統成本，適用于電信、服務(wù)器、電動(dòng)汽車(chē)充電站和電池組等應用。

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

應用效率和功率密度

與Si器件相比，SiC器件的RDSon在工作溫度范圍內不易發(fā)生波動(dòng)。使用基于 SiC 的 MOSFET，RDSon 數值在 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(shí)，RDSon 則會(huì )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 非常適合高溫應用，或者可以使用較簡(jiǎn)單的冷卻解決方案來(lái)實(shí)現相同的效率水平。

圖片來(lái)源：儒卓力

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

驅動(dòng)器

當從Si轉換到SiC時(shí)，其中一個(gè)問(wèn)題是選擇合適的驅動(dòng)器。如果基于Si的 MOSFET 驅動(dòng)器產(chǎn)生的最高柵極導通電壓不超過(guò)15 V，它們通?？梢岳^續使用。然而，高達 18 V柵極導通電壓可以進(jìn)一步顯著(zhù)降低電阻 RDSon（在 60°C 時(shí)可降低多達 18%），因此，值得考慮改用其它驅動(dòng)器。

另外還建議避免在柵極處出現負電壓，因為這會(huì )導致 VGS(th)發(fā)生偏移，從而使 RDSon 隨著(zhù)工作時(shí)間延長(cháng)而增加。在柵極驅動(dòng)環(huán)路中，源極電感上的電壓降導致高 di/dt，這可能引起負VGS(off)電平。很高的 dv/dts 帶來(lái)了更大的挑戰，這是由于半橋配置中第二個(gè)開(kāi)關(guān)的柵極漏極電容引起的?？梢酝ㄟ^(guò)降低 dv/dt 來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題，但代價(jià)是效率的下降。

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

反向恢復電荷 Qrr

特別針對使用導通體二極管進(jìn)行連續硬換向的諧振拓撲或設計，還必須考慮反向恢復電荷 Qrr。當二極管不再導電時(shí)，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(jìn)步，與最新的 CoolMOS 組件相比，這些SiC MOSFET 實(shí)現了10 倍的性能改進(jìn)。

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(hù)可以開(kāi)發(fā)具有更少組件和磁性元件及散熱器的系統，從而簡(jiǎn)化系統設計，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。

功率因數校正 (PFC)

目前行業(yè)的重點(diǎn)是提高系統效率。為了實(shí)現至少 98% 的效率數值，業(yè)界針對功率因數校正 (PFC)付出了很多努力。具備優(yōu)化 Qrr 的 基于SiC MOSFET 有助于實(shí)現這一目標。它們可以實(shí)現用于PFC的硬開(kāi)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(shí)現具有連續導通模式的圖騰柱 PFC。

輸出電容 COSS

在硬開(kāi)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(zhù)可以從更快的開(kāi)關(guān)速度中受益，但這也可能引起導通期間的漏極源極電壓過(guò)沖 (VDS)。

針對基于Si的 MOSFET，可以通過(guò)使用外部柵極電阻加以補償，以降低開(kāi)關(guān)速率，并且在漏源處實(shí)現所需的 80% 電壓降額。這種解決方案的缺點(diǎn)是增加電流會(huì )導致更多開(kāi)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 的功率半導體器件，但 COSS/VDS 的關(guān)系更加線(xiàn)性。其結果是，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(huì )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 轉換器中，可以省去額外的柵極電阻器。

結論

盡管SiC技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢，但基于Si的 MOSFET不一定會(huì )過(guò)時(shí)。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(lái)替換基于 Si 的 MOSFET，將會(huì )導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)化死區時(shí)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(xiāo)售經(jīng)理 Hannah Metzner和英飛凌 PSS 部門(mén)高級工程師 René Mente