使用碳化硅基MOSFET提高功率转换效率

更高的功率要求、法规要求以及效率和EMI问题的标准正在推动电源对使用开关功率器件的需求，因为它们具有更高的效率和更宽的工作范围。同时，设计人员一直面临着降低成本和节省空间的压力。面对这些要求，我们需要的是传统硅（Si）基MOSFET的替代品。

碳化硅（SiC）已经成为一个明确的选择，因为它已经成熟并且是第三代。基于 SiC 的 FET 具有许多性能优势，特别是在效率、更高的可靠性、更少的热管理问题和更小的占位面积方面。这些适用于整个功率谱，不需要彻底改变设计技术，尽管它们可能需要一些调整。

本文简要比较了 Si 与 SiC，介绍了 Wolfspeed 的 SiC 器件示例，并展示了如何开始使用它们进行设计。

碳化硅与硅型场效应管

首先，重要的是要清楚技术和术语：基于SiC的FET是MOSFET，就像它们的硅前辈一样。从广义上讲，它们的内部物理结构相似，都是具有源极、漏极和栅极连接的三端子器件。

区别正如其名称所示：基于SiC的FET使用碳化硅作为其基础材料，而不是单独的硅。业内许多人将它们称为碳化硅器件，而省略了MOSFET部分。本文将它们称为碳化硅场效应管。

为什么使用SiC化合物作为材料？由于各种深层物理原因，SiC具有与硅显着不同的三个主要电气特性，每个特性都带来操作优势;还有其他更微妙的（图1）。

图 1：SiC 的关键材料特性与 Si 和 GaN 固体材料之间的近似比较。与Si相比，SiC具有更高的临界击穿率，更高的导热性和更宽的带隙。

 

它们是：

更高的临界击穿电场电压约为每厘米2.8兆伏（Mvolts/cm），而0.3 Mvolts/cm，因此在给定的额定电压下工作可以使用更薄的层，从而大大降低导通电阻。

更高的导热性，可在横截面积内实现更高的电流密度。

半导体（和绝缘体）中价带顶部和导带底部之间的能量差（eV）更宽，导致高温下的漏电流较低。因此，SiC二极管和FET通常被称为宽带隙（WBG）器件

因此，近似而言，基于SiC的器件可以阻断比硅器件高十倍的电压，并且在25°C时，导通电阻为一半或更低时，开关速度可以提高约十倍。 同时，它们能够在 200°C 而不是 125°C 的更高温度下工作，从而简化了热设计和管理。

栅极驱动器对实现效益至关重要

功率器件在没有栅极驱动器的情况下无法工作，栅极驱动器将低电平数字控制信号转换为所需的电流和电压信号以及功率器件所需的时序（同时还针对大多数类型的外部故障提供一些保护）。对于SiC FET，驱动器必须包括附加功能才能提供以下功能：

将导通和开关损耗以及栅极损耗降至最低。这些损耗包括关断和导通能量、米勒效应和栅极驱动电流要求。关断能量是关断状态下栅极电阻和栅源电压的函数。为了减少这些电流，必须从栅极排出更多的电流。实现此目的的方法之一是驱动器在关断期间对栅极电压施加负偏置。同样，通过降低栅极电阻来降低导通能量。

尽量减少米勒效应及其负面影响，其中寄生电容在某些情况下和应用配置下可能会导致意外导通。这种米勒诱导的导通增加了反向恢复能量并增加了损耗。一种解决方案是驱动器具有所谓的米勒箝位保护功能，该功能在功率级切换期间控制驱动电流。

在适当的电压下提供所需的灌电流和拉电流。SiC 器件通常需要比硅 MOSFET 更高的正偏置栅极驱动（+20 V），以最大限度地降低损耗;它们可能还需要 -2 至 -6 V 之间的负 OFF 栅极电压。所需的栅极电流由基于栅极电荷 （Qg）、V DD、漏极电流 ID、栅源电压和栅极电阻的常规计算确定，通常约为几安培。该电流必须具有足够的灌电流和拉电流额定值，其压摆率必须与 SiC FET 的开关速度相称

对电路板和器件寄生效应（杂散电感和电容）进行建模并最小化，这些寄生效应会导致振荡、电压/电流过冲和误触发，而这些器件的开关速度较高时，这些寄生效应。硅MOSFET具有一个小的电流“尾部”，可用作阻尼器或缓冲器，以在一定程度上减少过冲和振铃。SiC MOSFET没有这个尾部，因此漏极电压过冲和振铃可能会更高并引起问题。要减少这些寄生效应，需要仔细注意布局问题，最大限度地减小导体长度，并将驱动器放置在尽可能靠近其功率器件的位置。即使是几厘米也会产生影响，因为这些杂散电感和电容的影响在SiC FET的较高开关速度下更为明显。减少振铃还有第二个好处，因为它减少了与器件驱动侧和负载侧高速开关相关的EMI的产生。

尽管驱动SiC MOSFET时涉及其他问题，但许多供应商都提供为此目的设计的标准IC，其属性与SiC器件的特定需求相匹配。请注意，在许多设计中，栅极驱动器和SiC FET必须与低压电路电气隔离。这可以通过使用标准元件的光学、脉冲变压器或电容隔离技术来实现。隔离首先是为了安全起见，以便在电路故障时保护用户免受高压的影响，其次是在许多 MOSFET 固有不接地的电路拓扑中，例如桥式配置。

新器件展示性能

第一个商用封装的SiC MOSEFT，CMF20120D，由Wolfspeed于2011年2015月推出（Wolfspeed是Wolfspeed的功率和RF部门;该名称于1200年宣布）;碳化硅晶圆在几年前就已经上市。该器件的额定电压为 98 V/80 A，导通电阻为 25 mΩ（均为 247⁰C），采用 TO-2 封装。Wolfspeed 很快推出了第二代工艺，现在提供第三代 SiC MOSEFT 指定为 C3M 器件（图 3）。

图 2：Wolfspeed 第 2 代（左）和第三代（右）SiC 工艺结构的比较显示出适度的差异，但这些横截面并未显示出性能规格的最终改进。

例如，业界首个 900 伏 SiC MOSFET 平台的成员之一是 C3M0280090J。它针对高频电力电子应用进行了优化，包括可再生能源逆变器、电动汽车充电系统和三相工业电源（表 1）。

 

C3M0280090J
阻断电压	900 V
+25°C 时的额定电流	11.5 安培
+25°C 时的导通电阻	280 Ω
包	TO-263-7
闸机费用总计	9.5 纳克
最高结温	+150°C
反向恢复费用 （Qrr）	47 nC
反向恢复时间 （总时）	20 纳秒

 

表 1：Wolfspeed C3M0280090J SiC MOSFET 的顶级属性显示了其适用于可再生能源逆变器、电动汽车充电系统和三相工业电源。（表源：狼速）

除电压/电流规格外，该器件还针对低电容的高速开关进行了优化，具有带驱动器源极连接的低阻抗封装（图 3），包括一个具有低反向恢复电荷 （Qrr） 的快速本征二极管，漏极和源极之间的爬电距离很宽 （~7 mm （mm））。

图 3：Wolfspeed C3M0280090J 采用低阻抗封装，带有驱动器源连接。

这款 900 伏平台可实现更小、更高效的下一代电源转换系统，其成本与硅基解决方案相当，但规格优越。安全工作区 （SOA） 图总结了该 SiC FET 的功能（图 4）。当漏源电压（VDS）较低时，最大电流受导通电阻限制;在中等VDS下，该器件可在短时间内维持15 A电流。

图 4：Wolfspeed C3M0280090J 的 SOA 图显示了其 I DS 与 VDS 功能。
 

包装影响性能

Wolfspeed 还提供三种规格相似的器件——C3M0075120D、C3M0075120K 和 C3M0075120J，但差异很大程度上是由于它们的封装（图 5）。

 

产品名称	C3M0075120D	C3M0075120K	C3M0074120J
块电压	1200 V	1200 V	1200 V
25°C 时的额定电流	30 安培	30 安培	30 安培
导通电阻 25°C 时的导通电阻	75毫微电阻	75毫微电阻	75毫微电阻
包	TO-247-3	TO-247-4	TO-263-7
闸机费用总计	54nC	51nC	51nC
最高结温	150°C	150°C	150°C
反向恢复费用 （Qrr）	--	220 nC	220 nC
输出电容	58p呋喃	58p呋喃	58p呋喃
反向恢复时间 （总时）	48 纳秒	18 纳秒	18 纳秒

 

图 5：Wolfspeed 在三种封装中提供相同的 1200 伏 SiC FET，规格大致相似但不完全相同。（图片来源：狼速）

虽然数字提供了事实，但故事还有更多。D 后缀器件采用三端子封装 （TO-247-3），而 K 后缀采用四端子封装 （TO-247-4）。这两款器件以及七端子 J 后缀器件包括一个开尔文源极引脚，可降低栅极电路中 L × di/dt 引起的电压尖峰的影响。这允许在栅极和源极施加更多电压，从而实现更快的动态切换。结果表明，当在接近其额定电流时测量器件时，开关损耗可能会降低3.5倍。

评估板、参考设计加速成功

尽管与千兆赫兹频率RF设计处于频谱的另一端，但创建在更高电压和功率范围内工作的高性能电路仍然需要注意细节。组件和布局的每一个微妙之处和特质都被放大了，物理电路对最小的问题和疏忽都是无情的。

为了帮助设计人员评估 C3M0075120D 和 C3M0075120K 等 SiC FET，Wolfspeed 提供了 KIT-CRD-3DD12P 降压-升压评估套件，以演示这些器件的高速开关性能。它设计用于接受 C3M0075120D 的三端子封装以及其他相同 C3M0075120K 的四端子封装。这使设计人员能够测试和比较 Wolfspeed 第 3 代 （C3M） MOSFET 在各种封装中的性能。

该评估套件采用半桥配置，允许在上下位置添加 MOSFET 或二极管，因此该板可以配置为常见的功率转换拓扑，如同步降压或同步升压。它还允许在顶部或底部位置添加二极管，因此用户可以评估异步降压或异步升压转换器拓扑。

此外，为了降低功率损耗，该套件还配备了一个由“sendust”组成的低损耗电感器。这种磁性金属粉末也称为Kool Mμ，由85%的铁，9%的硅和6%的铝组成，由于其改进了关键磁性和温度参数的规格，因此被用作坡莫合金的替代品。

对于需要设计自己的栅极驱动器子电路的用户，Wolfspeed 还为这些第三代 SiC FET 提供了 CGD15SG00D2 栅极驱动器参考设计（图 3）。

CGD8SG15D00的高级框图（图2）显示了该参考设计的功能，包括光耦合器（U1）、栅极驱动器集成电路（U2）和隔离电源（X1）。光耦合器（5000 V 交流隔离）接受脉宽调制 （PWM） 信号，并提供 35/50 kV/微秒 （μs）（最小值/典型值）的共模抗扰度。其他值得注意的功能包括：

一个凹槽，用于增强印刷电路逻辑侧和电源侧之间的规定爬电距离规格，以及电路板初级电路和次级电路之间的 9 mm 爬电距离增强槽。

2 W 隔离电源，支持在更高频率下运行较大的 MOSFET。

使用专用二极管分离栅极导通和关断电阻，允许用户自定义和优化导通和关断信号。

逻辑电源输入端的共模电感器可增强 EMI 抗扰度。

结论

与传统的硅MOSFET相比，Wolfspeed的第三代碳化硅MOSFET在功率开关应用的效率和热能力方面具有显著的性能优势。当与合适的驱动程序结合使用时，它们可为新兴和已建立的应用提供可靠、一致的性能。

审核编辑：郭婷