关于SiC MOSFET的新的电路设计挑战

碳化硅（SiC）MOSFET提供了巨大的新特性和功能，但同时也带来了新的挑战。ROHM半导体器件使工程师能够充分利用SiC MOSFET，同时克服了驱动它们的挑战。

扩展MOSFET功能

晶体管作为数字电子的基础模块间歇地存在。基于半导体的晶体管的发明取代了用于电子开关的真空管，使人类在技术上实现了最终的飞跃。

电子器件中最常见的晶体管类型是MOSFET晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。这些晶体管利用半导体材料的特殊特性，允许较小的电流信号来控制有时更大的电流信号的切换。一种类型的MOSFET，作为功率电子电路中的开关提供，并且经过特别优化，可以承受高电压并以最小的能量损耗传递负载电流。

一种新的化合物半导体材料碳化硅（SiC）与硅相比，在制造这些功率开关MOSFET方面具有许多优势，它非常坚硬。SiC的击穿电场强度是其10倍，带隙是其3倍，并且能够实现器件构造所需的各种p型和n型控制。SiC的导热系数是其3倍，意味着硅的冷却能力是其3倍。

图1：半导体材料比较（碳化硅，硅和氮化镓）

碳化硅，也称为金刚砂，是由硅和碳组成的化合物半导体。它在自然界中是一种稀有的矿物，称为莫桑石（moissanite），但自19世纪以来已作为磨料大规模生产。SiC直到最近才开始大规模生产能够高速运行的高温，高压半导体器件。

SiC MOSFET越来越受欢迎

因此，由碳化硅构成的MOSFET较单独的硅具有明显的步进改进。SiC MOSFET具有更高的击穿电压，更好的冷却和耐温性，因此可以做得更小。IGBT（绝缘栅双极晶体管）主要用于开关600V以上的电压，但是碳化硅材料使MOSFET可以在1700V和更高的电流下使用。SiC MOSFET的开关损耗也比IGBT小得多，并且可以在更高的频率下工作。

图2：SiC MOSFET与Si MOSFET和IGBT的优势

由于这些优点和其他优点，SiC MOSFET越来越多地用于工业设备的电源以及高效功率调节器的逆变器/转换器。

罗姆的解决方案

但是，SiC MOSFET也提出了新的电路设计挑战。最重要的是，它们需要高电流栅极驱动器，以快速提供所需的全部栅极电荷（Qg）。SiC MOSFET仅在建议的18V至20V栅极至源极（Vgs）电压驱动时才呈现低导通电阻，该电压明显高于驱动硅MOSFET或IGBT所需的10V至15V Vgs。

对于驱动SiC MOSFET带来的挑战，罗姆提供了两种互补的解决方案。首先是他们最新的SiC MOSFET器件的新封装创新。第二个是能够驱动高达20A的MOSFET栅极驱动器器件。这些ROHM解决方案一起使工程师能够实现SiC MOSFET器件必须具备的所有优势。

具有驱动器源极引脚的SiC MOSFET

ROHM的新型 SiC MOSFET 封装创新增加了一个引脚，以提供独立于电源的驱动器源。在传统的3引脚FET中，由于引脚的电感和流经器件的高负载电流而在源极引脚上产生的电动势有效地降低了晶体管所看到的Vgs。较低的Vgs抑制了晶体管的完全导通。在具有单独的驱动器源引脚的新设备中，该引脚提供从栅极驱动器到内部晶体管源的直接访问。因此，避免了对电源引脚的电感影响。

图3：传统的3引线MOSFET与带有独立驱动器源极引脚的新封装

具有单独的驱动器源极引脚的SiC MOSFET具有4引脚或7引脚封装。4引脚封装是TO-247-4L，并由ROHM零件编号SCT3xxxAR或SCT3xxxKR表示。7引脚封装是TO-263-7L，并由ROHM零件编号SCT3xxxAW7或SCT3xxxKW7表示。

图4：具有独立驱动器源极引脚的SiC MOSFET封装

大电流栅极驱动器

ROHM的新型带电隔离的晶体管栅极驱动器（BM6112）非常适合驱动SiC MOSFET的独特挑战。它可以驱动高达20A的高电流，驱动高达20V的栅极电压，并以小于150ns（最大）的I / O延迟完成所有操作。该栅极驱动器具有令人印象深刻的整套功能和认证，包括3750 Vrms隔离，欠压锁定（UVLO）和短路保护，使设计人员能够充分利用SiC MOSFET。

大多数传统的FET栅极驱动器无法直接驱动SiC MOSFET，因此它们需要在栅极驱动器和FET之间使用缓冲器。但是，BM6112在大多数情况下都可以直接驱动单个SiC MOSFET。但是，在驱动功率模块时，几乎总是需要栅极驱动缓冲器。

BM6112通过了汽车认证（AEC-Q100），适用于汽车，工业逆变器和UPS系统应用。

创新求救

SiC半导体材料的使用代表了MOSFET器件技术的飞跃。SiC MOSFET快速，高压和高温。它们准备以更快的速度，更小的尺寸和更低的损耗在许多应用中取代IGBT。通过添加独立的驱动器源极引脚和隔离的栅极驱动器IC来驱动SiC MOSFET栅极的封装创新，设计人员可以在设计中充分利用SiC MOSFET的优势。

编辑：hfy