充分挖掘SiC FET的性能

功率转换器的性能通常归结到效率和成本上。实际示例证明，在模拟工具的支持下，SiC FET技术能兼顾这两点。

性能是一个主观术语，它可以用许多你喜欢的方式衡量，但是在功率转换界，它归结为两个相互依赖的主要值，即效率和成本。现在，作为半导体开关材料，硅在导电和动态损耗性能方面已经到达了极限，这已经是一个常识了，因此越来越多的人考虑采用碳化硅和氮化镓宽带隙技术来实现更好的性能。这两种材料具有更好的介质击穿特性，从而可以打造更薄、掺杂更重、导通电阻更低的阻挡层，同时，更小的晶粒体积还可降低器件电容，从而降低动态损耗。与硅相比，宽带隙器件损耗更低，但是实际上，宽带隙器件也有某些方面较差，如SiC MOSFET和GaN HEMT晶体管通常需要严格控制栅极驱动条件才能实现最佳性能。这些器件与硅开关相比还有一系列不同之处，因而带来了困难，如SiC MOSFE栅极阈值的可变性和迟滞，以及GaN缺少雪崩额定值。

SiC FET接近理想开关

实际开关接近理想开关，却不一定有巨大的进步。如果简单的竖直沟槽SiC JFET与硅MOSFET结合，您可以获得更低的标准化整体损耗、一个简单的非临界栅极驱动和一个有高雪崩额定值和短路额定值的可靠部件。这个器件就是SiC FET共源共栅，如图1（右）所示，与左侧的SiC MOSFET形成对比。在SiC FET中，SiC MOSFET中的沟道电阻Rchannel被低压硅MOSFET的电阻所取代，后者的反转层电子迁移率要好得多，损耗也因此更低。SiC FET的晶粒面积相对较小，尤其是在与一同封装的堆叠在顶部的Si MOSFET配合使用时。

图1：SiC MOSFET（左）和SiC FET（右）结构对比

在现实中，对比性能的最好方法是对比“性能表征”（FoM），它们结合了给定晶粒体积下在不同应用中的导电损耗和开关损耗，晶粒体积对于每个晶圆的产量和随之变化的成本很重要。图2显示的是选择，它对比了可用的650V SiC MOSFET与UnitedSiC制造的750V第4代SiC FET。RDS(ON) xA，即单位面积的导通电阻是一个关键性能表征，值低表明晶粒面积较小，给定损耗性能下每个晶圆的产量较高。另一个性能表征RDS(ON)xEOSS，即导通电阻与输出开关能量的乘积，它是表示导电损耗和开关损耗之间的权衡的特性，在硬开关应用中很重要。性能表征RDS(ON)xCOSS (tr)将导通电阻与跟时间有关的输出电容关联起来，表明在高频软开关电路中的相对效率性能。还有一个重要比较是整体二极管的前向压降。在SiC FET中，VF是Si MOSFET体二极管压降与第三象限JFET电阻性压降之和，值约为1到1.5V。对于SiC MOSFET，该参数值可能超过4V，在电流通过整体二极管换向的应用中，这会导致开关死区时间内有显著导电损耗。

图中所示的导通电阻相关性能表征是25°C和125°C下的值，表明在真实条件下SiC FET的性能非常好。

图2：SiC FET和SiC MOSFET的性能表征比较

3.6kW SiC FET图腾柱PFC级演示工具实现99.3%的效率峰值

也许最能证明SiC FET性能的情况是在典型应用中，即在图腾柱PFC级中。长久以来，该电路都是交流线路整流与功率因数校正结合后的潜在高效解决方案，但是大功率和硅MOSFET技术下的硬开关才是不可接受的动态损耗的产生原因。SiC FET可解决这个问题，且UnitedSiC提供的3.6kW演示工具表明在230V交流电下会达到99.3%的效率峰值，这使得80+钛金系统效率额定值更容易实现（图3）。在电路的“快速”支路的两个18欧SiC FET的任何一个中，都只有8W损耗，而硅MOSFET用作“慢”支路中的同步交流线路整流器。它们可以被硅二极管取代，让解决方案的成本更低，同时仍实现99%以上的效率。该图还表明了使用并联的60欧SiC FET实现的结果，或每个快速支路开关使用一个18欧SiC FET实现的结果。

图3：使用SiC FET的3.6kW TPPFC级实现的效率

模拟工具让SiC FET选择变得简单

UnitedSiC的“FET-Jet”计算器让选择最佳SiC FET部件来实现最佳性能变得简单。它是免费使用的在线工具，允许用户从一系列整流器、逆变器和隔离和非隔离直流转直流拓扑中选择他们计划使用的设计。然后用户输入运行规格，从UnitedSiC的系列SiC FET和二极管中选择器件。该工具可以立即计算效率、组件损耗以及导电损耗占比和开关损耗占比、结温上升等。并联器件的效果会得到支持，还可以规定实际散热器性能。

模拟结果和实际示例表明，SiC FET可以显著提升功率转换器的性能。文章开始处就说过，成本也是一个因素，当考虑系统效果时，SiC FET也能胜出，它的较高效率和较快开关速度可以降低散热和磁性元件的体积与成本，从而降低系统平衡和拥有成本。

文章来源： UnitedSiC

• 审核编辑 黄宇