碳化硅 (SiC) MOSFET：为汽车电气化的未来提供动力

随着人们更加注重可持续性发展的经济新模式，我们的居住方式、工作状态以及使用车辆的通勤和休闲方式都在发生相应的变化。尤其是在交通运输领域的变革，因为我们需要减少对化石燃料等不可再生资源的依赖，以减轻对环境的影，推动了一系列能够显著提升效率并加快电气化转变的产品的问世。

 

功率半导体技术近年来快速进步，配备了碳化硅(SiC)MOSFET的电动汽车(EV)如今能够行驶更远的距离，并能够更快地充电，这使得电动汽车在拥挤和人口密集的城市地区成为内燃机(ICE)车辆的有效替代选择。

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设计电动汽车子系统如牵引逆变器、车载充电器(OBC)和DC-DC转换器的工程师现在有多种SiC电源产品可供选择。市面上不乏供应商提供的多样SiC产品，不论是平面还是沟槽式的MOSFET，通常都采用垂直式设计，并提供不同的封装和芯片尺寸选项。

 

Qorvo公司就采用了一种常开型的垂直FET，这种FET以Cascode结构的形式出现，将常开JFET与硅低压MOSFET串联起来。这种设计不仅是为了实现高效的常关开关，它还拥有独特的特性，使其在多种电路拓扑中成为最优解决方案。

 

电动汽车主要由逆变器、OBC、DC-DC转换器、PTC(正热系数)加热器和电动压缩机等模块构成。SiC的使用可以使这些组件更小、更轻、效率更高，从而延长车辆的续航里程。电动汽车的普及不可或缺的是充电桩这一基础设施，无论是工业充电站、快速直流充电器还是无线充电器，它们都需要具备高效率、低成本、易于热管理的特点，以便实现快速充电，并且具有具有竞争力的每千瓦时的能源成本。SiC元件在这些方面的表现再次卓越无比。最为重要的是，电动汽车和充电器正从400V向800V演变，这不仅延长了续航里程，还使得电池充电时长与内燃机汽车加油时长趋于一致。

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SiC MOSFET 技术的优势

正如我们提到的，Qorvo的垂直SiC FET采用的是Cascode架构，这种设计就像是一种常断式开关。这种结构和它的两种不同封装实现方式——常开SiC JFET与硅MOSFET的并排或堆叠连接方式——都非常清晰直观。Qorvo还提供了高压非共源共栅常开型SiC JFET，电压范围为650V至1700V，导通电阻范围为25mΩ至1000mΩ，这些都是为固态断路器(SSCB)、继电器和隔离开关等应用优化设计的。与传统机电断路器相比，SSCB具有超快的响应时间(数微秒)，可以防止对敏感和重要部件的损坏，并确保乘客安全。这些设备可以设定在特定的电流水平下自动跳闸。

SiC MOSFET提供650V、750V、1200V和1700V的电压，部分型号符合AEC-Q101标准。对于给定的芯片尺寸或任何行业标准封装，Qorvo的SiC MOSFET都展现出了最低的行业导通电阻(即RDS(on)乘以芯片尺寸品质因数)，这是因为它们没有沟道电阻率的影响，这一点在MOSFET中是无法做到的。SiC FET的沟道迁移率在300至600cm^2/(V·s)之间，而SiC MOSFET的沟道迁移率只有10至20cm^2/(V·s)。与额定值类似的MOSFET相比，这样的特性能够显著减少传导损失。

 

但是SiC MOSFET还有其他一些在功率转换拓扑中非常关键的特性：相比同等电压等级和导通电阻的产品，它具有更低的寄生电容，这意味着快速切换能力、低输出电容损耗和快速的零电压切换(ZVS)电压转换。换言之，在瞬态模式下，SiC FET在RDS(on)和COSS品质因数方面的表现也是优异的。

此外，SiC MOSFET不含栅极氧化物，这意味着不存在栅极介电可靠性问题，它们与市面上现有的标准硅栅极驱动器完全兼容。它们还具有超低的反向恢复电荷(QRR)，这对于无桥PFC(功率因数校正)拓扑来说是非常理想的。作为参考，Qorvo UJ4C075018K4S型号的QRR仅为102nC，远远低于最优秀的超结构MOSFET。

 

在源极和漏极二极管的正向压降方面，SiC MOSFET也展现出了最低值。在电源电路中的很多开关都会在死区时间的延时期间以反向模式传导电流，这时SiC MOSFET在源极至漏极处的电流导通时，由于其较高的电压压降通常高于4V，因此本征二极管的压降很高。但SiC FET没有这种二极管，在Cascode的低压MOSFET中，即便在反向导通期间，其压降也明显较低，大约是SiC MOSFET的三分之一。这一点特别值得注意，因为较低的VFSD可以减少死区时间的损耗，非常适合高频软开关应用。

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在软开关操作中，当在死区时间内应用ZVS时，开通损耗微乎其微，而导通损耗成为总损耗的关键组成部分。关断仍然是硬开关，因此低关断能量Eoff是可取的。此外，存储在COSS中的能量被回收。所有这些条件为功率器件设定了一定的要求，这些要求都能被Qorvo SiC FETs满足：

1、从 D 到 S 以及从 S 到 D 两个电流方向的传导损耗都很低

2、低关断能量 Eoff

3、过渡模式 Coss(tr)​​ 下的低输出电容可在死区时间内实现快速 ZVS，因此具有更高的工作频率和更高的功率密度

4、低栅极电荷 Qg

5、最小热阻

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系统成本的大幅降低在很大程度上依赖于可以通过高体积自动组装SMT(表面贴装技术)器件来降低的制造成本。一个例子是7引脚的D2PAK，由于其6.7毫米的爬电距离而能够安装650V到1700V范围的FET，同时不影响热性能。

降低成本的另一个因素是使用标准的门极驱动器，这些驱动器确保15V VGS下的全开通，并且不需要负门极驱动就能有效关断。最大±20V的门极电压额定值与Si IGBT和Si MOSFET完全兼容。此外，具有集成钳位二极管的LV MOSFET在ESD保护方面增加了额外的功能。

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Qorvo的芯片安装技术基于银烧结，与传统焊接接头相比，热导率提高了六倍。图3展示了JFET安装到引线框架和低压MOSFET安装到JFET的芯片附着过程。得益于银烧结芯片附着的卓越性能以及从厚铜引线框架的良好热扩散，可以实现非常优秀的热阻值。

对于额定值为750V/11 mW且Tjmax=175°C的G4 SiC FET，RQ(结-壳)为0.33 °K/W，优于竞争对手部件的650V/15 mW MOSFET(0.35 °K/W)，后者的芯片尺寸大60%。

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Qorvo SiC FET基于独特且有区别的JFET技术加上Cascode架构，特别适用于需要低RDS(on)、低VFSD、低Eoff和低Coss(tr)的软开关应用。典型应用包括HV DC/DC变换器和电动车上的板载充电器的DC/DC阶段。

超低QRR使得全桥无桥PFC的高效率成为可能，因此它们可以方便地用于板载充电器的AC-DC PFC阶段。任何封装选项的最低导通电阻也是一项利于低频应用(如PTC加热模块)的良好特性。最后，AEC级别的SMT封装选项具有低热阻RQ(结-壳)和高爬电能力，使得设计和制造更加容易。