三代進(jìn)化，安森美 EliteSiC MOSFET 技術(shù)發(fā)展解析

SiC 器件性能表現突出，能實(shí)現高功率密度設計，有效應對關(guān)鍵環(huán)境和能源成本挑戰，也因此越來(lái)越受到電力電子領(lǐng)域的青睞。與硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 相比，SiC 器件的運行頻率更高，有助于實(shí)現高功率密度設計、減少散熱、提高能效，并減輕電源轉換器的重量。其獨特的材料特性可以減少開(kāi)關(guān)和導通損耗。與 Si MOSFET 相比，SiC 器件的電介質(zhì)擊穿強度更高、能量帶隙更寬且熱導率更優(yōu)，有利于開(kāi)發(fā)更緊湊、更高效的電源轉換器。

安森美 (onsemi)的 1200V 分立器件和模塊中的 M3S 技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。M3S MOSFET 的導通電阻和開(kāi)關(guān)損耗均較低，提供 650 V 和 1200 V 兩種電壓等級選項。本白皮書(shū)側重于探討專(zhuān)為低電池電壓領(lǐng)域的高速開(kāi)關(guān)應用而設計的先進(jìn) onsemi M3S 650 V SiC MOSFET 技術(shù)。通過(guò)各種特性測試和仿真，評估了 MOSFET 相對于同等競爭產(chǎn)品的性能。本文為第一篇，將重點(diǎn)介紹SiC MOSFET的基礎知識、M3S 技術(shù)和產(chǎn)品組合。

簡(jiǎn)介

雖然 SiC 器件已在工業(yè)領(lǐng)域應用多年，但在汽車(chē)行業(yè)的應用仍處于早期階段。該器件廣泛用在各種電動(dòng)汽車(chē)器件中，例如主驅逆變器、DC-DC 轉換器、輔助電源裝置等。SiC MOSFET 為車(chē)載 DC-DC 轉換器帶來(lái)了諸多優(yōu)勢，包括更低的開(kāi)關(guān)和導通損耗、更高的效率和功率密度以及更寬的溫度范圍。

SiC MOSFET 的另一個(gè)車(chē)載應用場(chǎng)景是車(chē)載充電器 (OBC)。目前，大多數電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē) (PHEV) 都配備了車(chē)載充電器，可以通過(guò)插座或交流充電站為電池充電。使用 SiC 器件替代基于 Si 的電源 MOSFET 可以提高車(chē)載充電器的功率密度和能效，同時(shí)相關(guān) SiC 系統的成本也比基于 Si 的車(chē)載充電器更低 [1]。

在設計車(chē)載 DC-DC 轉換器和車(chē)載充電器時(shí)，工程師總是難以妥善調整 SiC 器件并充分發(fā)揮該技術(shù)的潛力。為了減小磁性器件的體積并提高變換器的性能，可以提高電源器件的開(kāi)關(guān)頻率。得益于 SiC 的材料特性，與 Si MOSFET 和 IGBT 相比，其開(kāi)關(guān)和導通損耗更低 [2]。

M3S 技術(shù)和產(chǎn)品組合

a. 技術(shù)說(shuō)明

安森美 EliteSiC MOSFET 技術(shù)歷經(jīng)了三代發(fā)展。第一代 M1 采用經(jīng)典的平面 DMOS 結構，關(guān)鍵尺寸適中，標志著(zhù)安森美首次進(jìn)軍 SiC MOSFET 市場(chǎng)。

第二代 M2 實(shí)現了重大進(jìn)展。布局從正方形轉變?yōu)榧氶L(cháng)的六邊形，從而提高了單元電芯密度。此外，襯底減薄 70% 以上，有效降低了寄生電阻，使特定導通電阻 (RSP) 下降 20%。

第三代 M3 引入了更多創(chuàng )新。先前的方形和六邊形幾何單元電芯被條形設計所取代，大幅減小了單元電芯間距。與 M2 相比，此次改進(jìn)使 RSP 又降低 30%。M3 技術(shù)部署到了兩種特定應用的產(chǎn)品中：M3S 和 M3E/M3T。M3E 產(chǎn)品旨在滿(mǎn)足主驅逆變器應用的要求，短路耐受時(shí)間約為 1.5 μs，但這是以犧牲 RSP 為代價(jià)的。另一方面，本文重點(diǎn)介紹的 M3S 實(shí)現了超低 RSP，并且不受短路耐受時(shí)間的限制，是車(chē)載充電器和高壓 DC-DC 轉換器等高速應用的理想選擇。

圖 1. EliteSiC MOSFET 的技術(shù)演進(jìn)

b. 產(chǎn)品組合

M3S 650 V SiC MOSFET 器件用于競爭激烈且成本敏感的 400 V 電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，可廣泛應用于車(chē)載充電器和 DC-DC 轉換器。

該器件有三種不同的封裝選項（TO-247-3、TO-247-4 和 D2Pak），導通電阻分別為 23 mΩ 和 32 mΩ。三種封裝的電容相似，而功耗 (PD) 和結至外殼熱阻 (RθJC) 略有差異。三引腳和四引腳 TO-247 之間的區別在于，通過(guò)開(kāi)爾文源連接，四引腳版本的開(kāi)關(guān)性能更佳。使用第四個(gè)驅動(dòng)源引腳可將柵極環(huán)路中的寄生電感降至更低。降低漏源電壓尖峰和柵極振鈴可降低 EMI 并提高可靠性。

D2PAK 旨在幫助降低寄生電感并提高機械穩健性，其緊湊的尺寸可實(shí)現高集成度和高密度設計。然而，與 TO-247 封裝相比，D2PAK 的熱管理設計更具挑戰性。TO-247 封裝支持將其散熱焊盤(pán)直接連接到散熱片。然而，D2PAK 的散熱焊盤(pán)焊接到印刷電路板 (PCB) 上，然后連接到散熱片，從而在路徑中引入了額外的熱阻。

表 1. M3S 650 V SiC MOSFET 已發(fā)布產(chǎn)品

參考文獻

[1]     B.Shi, A.Ramones, Y.Liu, H.Wang, Y.Li, S.Pischinger, J.Andert, “A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development” in IET Power Electronics, vol. 16, no. 12, 2017. https://doi.org/10.1049/pel2.12524.

B.Shi、A.Ramones、Y.Liu、H.Wang、Y.Li、S.Pischinger、J.Andert，“電動(dòng)汽車(chē)中碳化硅 MOSFET 的綜述：應用、挑戰與未來(lái)發(fā)展”(A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development)，《IET Power Electronics》，第 16 卷，第 12 期，2017 年。https://doi.org/10.1049/pel2.12524。

[2]     J. Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D. Callegaro, J. Reimers and A. Emadi, “A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles,” in IEEE Access, vol. 9, pp. 51501-51518, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3069448.

J.Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D.Callegaro、J. Reimers 和 A. Emadi，“電動(dòng)汽車(chē)雙向車(chē)載充電器綜述”(A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles)，《IEEE Access》，第 9 卷，第 51501-51518 頁(yè)，2021 年，doi：10.1109/ACCESS.2021.3069448。

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