【導讀】相比基於矽(Si)的MOSFET

，基於碳化矽(SiC)的MOSFET器件可實現更高的效率水平，但有時難以輕易決定這項技術是否更好的選擇。本文將闡述需要考慮哪些標準因素。

超過 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，能夠實現快速開關的單極組件，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，這些基於 SiC 的 MOSFET 可將功率損耗降低多達 80%。

英飛淩進一步優化了 SiC器件的優勢特性——通過使用CoolSiC Trench 技術，可以實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 ，它們對於不良的寄生導通效應更具彈性。除了 1200 V 和 1700 V 型號之外，英飛淩還擴展了產品組合，加入了650 V CoolSiC MOSFET
，該器件也可用於 230 V 電源應用。這些SiC器件具有更高的係統效率和穩健性
，以及更低的係統成本
，適用於電信
、服務器
、電動汽車充電站和電池組等應用。

如果在基於Si的成熟MOSFET技術，和基於 SiC 的較新 MOSFET之間進行選擇
，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在工作溫度範圍內不易發生波動。使用基於 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

，而使用典型的基於Si MOSFET（例如英飛淩的 CoolMOSTM C7器件）時

，RDSon 則會偏移1.67 倍。這表明針對基於SiC 的 MOSFET器件，工作溫度對於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
，基於 SiC 的 MOSFET 非常適合高溫應用，或者可以使用較簡單的冷卻解決方案來實現相同的效率水平。

圖片來源：儒卓力

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

驅動器

當從Si轉換到SiC時
，其中一個問題是選擇合適的驅動器。如果基於Si的 MOSFET 驅動器產生的最高柵極導通電壓不超過15 V，它們通常可以繼續使用。然而，高達 18 V柵極導通電壓可以進一步顯著降低電阻 RDSon（在 60°C 時可降低多達 18%），因此，值得考慮改用其它驅動器。

另外還建議避免在柵極處出現負電壓，因為這會導致 VGS(th)發生偏移，從而使 RDSon 隨著工作時間延長而增加。在柵極驅動環路中，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 帶來了更大的挑戰，這是由於半橋配置中第二個開關的柵極漏極電容引起的。可以通過降低 dv/dt 來避免這個問題，但代價是效率的下降。

限xian製zhi負fu柵zha極ji電dian壓ya的de最zui佳jia方fang法fa是shi通tong過guo開kai爾er文wen源yuan極ji概gai念nian使shi用yong單dan獨du的de電dian源yuan和he驅qu動dong器qi電dian路lu，並bing集ji成cheng二er極ji管guan鉗qian位wei。位wei於yu開kai關guan的de柵zha極ji和he源yuan極ji之zhi間jian的de二er極ji管guan鉗qian位wei限xian製zhi柵zha極ji出chu現xian負fu電dian壓ya。

反向恢複電荷 Qrr

特別針對使用導通體二極管進行連續硬換向的諧振拓撲或設計，還必須考慮反向恢複電荷 Qrr。當二極管不再導電時，這是必須從集成的體二極管中去除的電荷（存在於所有二極管中）。各組件製造商都做出了巨大的努力，以便盡可能地降低這種電荷。英飛淩的“Fast Diode CoolMOS”係列就是這些努力成果的示例。它們具有更快速的體二極管，與前代產品相比

，可以將 Qrr 降低 10 倍。英飛淩的 CoolSiC 係列在這方麵取得了進步，與最新的 CoolMOS 組件相比，這些SiC MOSFET 實現了10 倍的性能改進。

Trench 技術極大程度地減少了使用中的功率損耗，並提供了極高的運行可靠性。

采用CoolSiC技術，用戶可以開發具有更少組件和磁性元件及散熱器的係統，從而簡化係統設計，並減低體積和成本。借助Trench 技術，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)

目前行業的重點是提高係統效率。為了實現至少 98% 的效率數值
，業界針對功率因數校正 (PFC)付出了很多努力。具備優化 Qrr 的 基於SiC MOSFET 有助於實現這一目標。它們可以實現用於PFC的硬開關半橋/全橋拓撲。針對CoolMOS 技術
，英飛淩先前推薦“三角電流模式(Triangular Current Mode)”方法，但使用 SiC 器件可以實現具有連續導通模式的圖騰柱 PFC。

輸出電容 COSS

在硬開關拓撲中必須消耗存儲的能量 EOSS；對於最新的 CoolMOS型款
，這種能量通常較大。然而，與圖騰柱 PFC 的(de)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)相(xiang)比(bi)

，它(ta)仍(reng)然(ran)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)，至(zhi)少(shao)初(chu)期(qi)如(ru)此(ci)。較(jiao)低(di)的(de)電(dian)容(rong)意(yi)味(wei)著(zhe)可(ke)以(yi)從(cong)更(geng)快(kuai)的(de)開(kai)關(guan)速(su)度(du)中(zhong)受(shou)益(yi)，但(dan)這(zhe)也(ye)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)導(dao)通(tong)期(qi)間(jian)的(de)漏(lou)極(ji)源(yuan)極(ji)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong) (VDS)。

針對基於Si的 MOSFET，可以通過使用外部柵極電阻加以補償

，以降低開關速率
，並且在漏源處實現所需的 80% 電壓降額。這種解決方案的缺點是增加電流會導致更多開關損耗，尤其是在關斷期間。

在50 V漏源電壓下，基於 SiC 的 MOSFET 的輸出電容要大於可比較的基於 Si 的功率半導體器件，但 COSS/VDS 的關係更加線性。其結果是，相比基於 Si 的MOSFET型款，基於 SiC 的 MOSFET 允許在相同的電路中使用較低的外部電阻，而不會超出最大漏源電壓。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技術擁有諸多優勢，但基於Si的 MOSFET不一定會過時。部分原因是由於體二極管的閾值電壓要高得多，直接使用基於 SiC 的型款來替換基於 Si 的 MOSFET
，將會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。如要真正受益於基於 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。還必須優化死區時間性能，以充分利用基於 SiC 的 MOSFET 的優勢。

作者：儒卓力功率產品銷售經理 Hannah Metzner和英飛淩 PSS 部門高級工程師 René Mente

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