Si對比SiC MOSFET 改變技術(shù)—是正確的做法

作者：儒卓力功率產(chǎn)品銷售經(jīng)理 Hannah Metzner和英飛凌 PSS 部門高級工程師 René Mente

相比基于硅(Si)的MOSFET，基于碳化硅(SiC)的MOSFET器件可實(shí)現(xiàn)更高的效率水平，但有時(shí)難以輕易決定這項(xiàng)技術(shù)是否更好的選擇。本文將闡述需要考慮哪些標(biāo)準(zhǔn)因素。

超過 1000 V 電壓的應(yīng)用通常使用IGBT解決方案。但現(xiàn)在的SiC 器件性能卓越，能夠?qū)崿F(xiàn)快速開關(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(yīng)用。與雙極 IGBT 相比，這些基于 SiC 的 MOSFET 可將功率損耗降低多達(dá) 80%。

英飛凌進(jìn)一步優(yōu)化了 SiC器件的優(yōu)勢特性——通過使用CoolSiC Trench 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)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(dǎo)通效應(yīng)更具彈性。除了 1200 V 和 1700 V 型號之外，英飛凌還擴(kuò)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(yīng)用。這些SiC器件具有更高的系統(tǒng)效率和穩(wěn)健性，以及更低的系統(tǒng)成本，適用于電信、服務(wù)器、電動(dòng)汽車充電站和電池組等應(yīng)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(yīng)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(nèi)不易發(fā)生波動(dòng)。使用基于 SiC 的 MOSFET，RDSon 數(shù)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(yīng)用，或者可以使用較簡單的冷卻解決方案來實(shí)現(xiàn)相同的效率水平。

圖片來源：儒卓力

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

驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)從Si轉(zhuǎn)換到SiC時(shí)，其中一個(gè)問題是選擇合適的驅(qū)動(dòng)器。如果基于Si的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的最高柵極導(dǎo)通電壓不超過15 V，它們通常可以繼續(xù)使用。然而，高達(dá) 18 V柵極導(dǎo)通電壓可以進(jìn)一步顯著降低電阻 RDSon（在 60°C 時(shí)可降低多達(dá) 18%），因此，值得考慮改用其它驅(qū)動(dòng)器。

另外還建議避免在柵極處出現(xiàn)負(fù)電壓，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致 VGS(th)發(fā)生偏移，從而使 RDSon 隨著工作時(shí)間延長而增加。在柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路中，源極電感上的電壓降導(dǎo)致高 di/dt，這可能引起負(fù)VGS(off)電平。很高的 dv/dts 帶來了更大的挑戰(zhàn)，這是由于半橋配置中第二個(gè)開關(guān)的柵極漏極電容引起的?？梢酝ㄟ^降低 dv/dt 來避免這個(gè)問題，但代價(jià)是效率的下降。

限制負(fù)柵極電壓的最佳方法是通過開爾文源極概念使用單獨(dú)的電源和驅(qū)動(dòng)器電路，并集成二極管鉗位。位于開關(guān)的柵極和源極之間的二極管鉗位限制柵極出現(xiàn)負(fù)電壓。

反向恢復(fù)電荷 Qrr

特別針對使用導(dǎo)通體二極管進(jìn)行連續(xù)硬換向的諧振拓?fù)浠蛟O(shè)計(jì)，還必須考慮反向恢復(fù)電荷 Qrr。當(dāng)二極管不再導(dǎo)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(xiàn)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(yùn)行可靠性。

采用CoolSiC技術(shù)，用戶可以開發(fā)具有更少組件和磁性元件及散熱器的系統(tǒng)，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并減低體積和成本。借助Trench 技術(shù)，這些組件還保證達(dá)到極低的使用損耗和極高的運(yùn)行可靠性。

功率因數(shù)校正 (PFC)

目前行業(yè)的重點(diǎn)是提高系統(tǒng)效率。為了實(shí)現(xiàn)至少 98% 的效率數(shù)值，業(yè)界針對功率因數(shù)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(xiàn)這一目標(biāo)。它們可以實(shí)現(xiàn)用于PFC的硬開關(guān)半橋/全橋拓?fù)?。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(xiàn)具有連續(xù)導(dǎo)通模式的圖騰柱 PFC。

輸出電容 COSS

在硬開關(guān)拓?fù)渲斜仨毾拇鎯?chǔ)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(dǎo)通損耗相比，它仍然相對較低，因此可以忽略不計(jì)，至少初期如此。較低的電容意味著可以從更快的開關(guān)速度中受益，但這也可能引起導(dǎo)通期間的漏極源極電壓過沖 (VDS)。

針對基于Si的 MOSFET，可以通過使用外部柵極電阻加以補(bǔ)償，以降低開關(guān)速率，并且在漏源處實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致更多開關(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(dǎo)體器件，但 COSS/VDS 的關(guān)系更加線性。其結(jié)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?fù)渲惺怯欣?，例如?LLC 諧振 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，可以省去額外的柵極電阻器。

結(jié)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 的型款來替換基于 Si 的 MOSFET，將會(huì)導(dǎo)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(qū)時(shí)間性能，以充分利用基于 SiC 的 MOSFET 的優(yōu)勢。

文章來源：儒卓力

審核編輯 黃宇