充分挖掘 SiC FET 的性能

在電源轉(zhuǎn)換這一語境下，性能主要歸結(jié)為兩個互為相關(guān)的值：效率和成本。仿真結(jié)果和應(yīng)用實例表明，SiC FET 可以顯著提升電源轉(zhuǎn)換器的性能。了解更多。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴展到電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。

“性能” 是一個很主觀的詞，它可以有各種不同的衡量方式。不過，在電源轉(zhuǎn)換這一語境下，性能主要歸結(jié)為兩個互為相關(guān)的值：效率和成本。眾所周知，硅作為一種半導(dǎo)體開關(guān)材料，在傳導(dǎo)和動態(tài)損耗方面都已接近其性能極限。于是，性能更佳的碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術(shù)越來越多地進入了人們的考量范圍。這些材料具有更好的介質(zhì)擊穿特性，可以打造更薄、摻雜更重、導(dǎo)通電阻更低的阻擋層，同時，更小的晶粒尺寸還可以降低器件電容和動態(tài)損耗。雖然與硅相比損耗較低，但實際上，寬帶隙器件也有某些方面較差，如 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 晶體管通常需要嚴格控制柵極驅(qū)動條件才能實現(xiàn)更優(yōu)性能。這些器件與硅開關(guān)相比還有許多令人頭疼的差異，如 SiC MOSFET 柵極閾值的可變性和遲滯，以及 GaN 缺少雪崩額定值。

實際開關(guān)接近理想開關(guān)，卻不一定有巨大的飛躍。如果簡單的垂直溝槽 SiC JFET 與硅 MOSFET 相結(jié)合，可以獲得更低的標準化整體損耗、一個簡單的非臨界柵極驅(qū)動和一個有高雪崩和短路額定值的可靠部件。該器件是 SiC FET 共源共柵，如圖 1（右）所示，與左側(cè)的 SiC MOSFET 形成對比。SiC MOSFET 中的溝道電阻 Rchannel 被 SiC FET 中低壓硅 MOSFET 的電阻所取代，后者的反轉(zhuǎn)層電子遷移率要好得多，因此損耗也更低。SiC FET 的晶粒面積相對較小，尤其是頂部堆疊共封裝 Si MOSFET 的情況下。

圖 1：SiC MOSFET（左）和 SiC FET（右）架構(gòu)對比

在現(xiàn)實生活中，對比性能最好通過 “品質(zhì)因數(shù)” (FoM) 進行，結(jié)合考慮特定晶粒尺寸在不同應(yīng)用中的導(dǎo)電和開關(guān)損耗，晶粒尺寸對于每個晶圓的產(chǎn)量和相關(guān)成本很重要。圖 2 顯示了對比可用的 650V SiC MOSFET 與 UnitedSiC 的 750V 第 4 代 SiC FET 之后做出的選擇。RDS(ON) xA，即單位面積的導(dǎo)通電阻，是一個關(guān)鍵 FoM，數(shù)值低則表明晶粒面積較小，特定損耗性能下每個晶圓的產(chǎn)量較高。另一個 FoM 是 RDS(ON)xEOSS，即導(dǎo)通電阻與輸出開關(guān)能量的乘積，表征了導(dǎo)電和開關(guān)損耗之間的權(quán)衡，這在硬開關(guān)應(yīng)用中很重要。FoM RDS(ON)xCOSS (tr) 將導(dǎo)通電阻與跟時間有關(guān)的輸出電容相關(guān)聯(lián)，表示在高頻軟開關(guān)電路中的相對效率性能。還有一個重要比較是整體二極管的前向壓降。在 SiC FET 中，VF 是 Si MOSFET 體二極管壓降與第三象限 JFET 電阻壓降之和，約為 1 到 1.5V。對于 SiC MOSFET，該參數(shù)值可能超過 4V，在電流通過整體二極管換向的應(yīng)用中，會導(dǎo)致開關(guān)死區(qū)時間內(nèi)有顯著導(dǎo)電損耗。圖中所示的導(dǎo)通電阻相關(guān) FoM 是 25°C 和 125°C 下的值，表明在現(xiàn)實生活條件下，SiC FET 的性能非常出色。

圖 2：SiC FET 和 SiC MOSFET 的 FoM 比較

也許最能證明 SiC FET 性能的情況是在典型應(yīng)用，即圖騰柱 PFC 級中。長期以來，該電路被認為是交流線路整流與功率因數(shù)校正結(jié)合后的潛在高效解決方案，但是大功率和硅 MOSFET 技術(shù)下的硬開關(guān)會產(chǎn)生不可接受的動態(tài)損耗。SiC FET 解決了這個問題，而且 UnitedSiC 提供的 3.6kW 演示工具表明在 230V 交流電下會達到 99.3% 的峰值效率，這使得 80+ 鈦金系統(tǒng)額定效率更容易實現(xiàn)（圖 3）。電路“快速支路”的兩個 18 毫歐 SiC FET 功耗只有 8W，而硅 MOSFET 用作“慢支路”中的同步交流線路整流器。它們可以被硅二極管取代，讓解決方案的成本更低，同時仍實現(xiàn)99% 以上的效率。該圖還顯示了使用并聯(lián)的 60 毫歐 SiC FET 實現(xiàn)的結(jié)果，或每個快速支路開關(guān)使用一個 18 毫歐 SiC FET 實現(xiàn)的結(jié)果。

圖 3：使用 SiC FET 在 3.6kW TPPFC 級實現(xiàn)的效率

使用 UnitedSiC 的 “FET-Jet” 計算器，可以輕松選擇合適的 SiC FET 部件以實現(xiàn)出色性能。它是免費使用的 Web 工具，用戶可以從各種整流器、逆變器和隔離和非隔離 DC/DC 拓撲中選擇其擬定設(shè)計。然后輸入工作規(guī)格，并從 UnitedSiC 的一系列 SiC FET 和二極管中選擇器件。該工具可以立即計算效率、組件損耗以及導(dǎo)電和開關(guān)損耗占比、結(jié)溫上升等。支持并聯(lián)器件效應(yīng)，還可以指定實際散熱器性能。

仿真結(jié)果和應(yīng)用實例表明，SiC FET 可以顯著提升電源轉(zhuǎn)換器的性能。我一開始就說過，成本也是一個因素，當考慮系統(tǒng)效應(yīng)時，SiC FET 也能勝出，其較高的效率和較快的開關(guān)速度可以削減散熱和磁性組件的尺寸與成本，從而降低系統(tǒng)的整體平衡和擁有成本。