半導(dǎo)體行業(yè)在過(guò)去的幾十年里，已經(jīng)采取了許多措施來(lái)改善基于硅MOSFET （parasitic parameters），以滿足開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器(開(kāi)關(guān)電源)設(shè)計(jì)人員的需求。行業(yè)效率標(biāo)準(zhǔn)以及市場(chǎng)對(duì)效率技術(shù)需求的雙重作用，導(dǎo)致了對(duì)于可用于構(gòu)建更高效和更緊湊電源解決方案的半導(dǎo)體產(chǎn)品擁有巨大的需求。

 

這個(gè)需求寬帶隙（WBG）技術(shù)器件應(yīng)運(yùn)而生, 如碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管(SiC MOSFET) 。它們能夠提供設(shè)計(jì)人員要求的更低的寄生參數(shù)滿足開(kāi)關(guān)電源（SMPS）的設(shè)計(jì)要求。

 

650V 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管器件在推出之后，可以補(bǔ)充之前只有1200V碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件設(shè)計(jì)需求，碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管(SiC MOSFET)由于能夠?qū)崿F(xiàn)硅場(chǎng)效應(yīng)管(Si MOSFET)以前從未考慮過(guò)的應(yīng)用而變得更具有吸引力。

 

碳化硅MOSFET越來(lái)越多用于千瓦級(jí)功率水平應(yīng)用，涵蓋如通電源，和服務(wù)器電源，和快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)電池充電器市場(chǎng)等領(lǐng)域。

 

碳化硅MOSFET之所以有如此的大吸引力，在于與它們具有比硅器件更出眾的可靠性，在持續(xù)使用內(nèi)部體二極管的連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）功率因數(shù)校正（PFC）設(shè)計(jì), 例如圖騰功率因子校正器的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?，碳化硅MOSFET可以得到充分利用。

 

此外，碳化硅MOSFET也可應(yīng)用更高的開(kāi)關(guān)頻率，因而可以實(shí)現(xiàn)體積更小，更加緊湊的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

 

沒(méi)有免費(fèi)的午餐

 

當(dāng)然，世上是沒(méi)有免費(fèi)午餐的，在內(nèi)部體二極管和寄生參數(shù)方面，碳化硅MOSFET比硅 MOSFET具有更多的優(yōu)勢(shì)，但代價(jià)是在某些方面參數(shù)碳化硅MOSFET性能比較差。

 

這就要求設(shè)計(jì)人員需要花時(shí)間充分了解碳化硅MOSFET的特性和功能，并考慮如何向新拓?fù)浼軜?gòu)過(guò)渡。有一點(diǎn)非常明顯：碳化硅MOSFET并不是簡(jiǎn)單地替換硅MOSFET，如果這樣使用碳化硅MOSFET可能會(huì)導(dǎo)致效率下降而不是升高。

 

例如，碳化硅CoolSiC器件的體二極管正向電壓（VF）是硅CoolMOS器件的四倍。如果不對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，很有機(jī)會(huì)在諧振LLC轉(zhuǎn)換器上在輕負(fù)載時(shí)效率可能下降多達(dá)0.5％。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意，如果要在CCM圖騰PFC設(shè)計(jì)中獲得最高的峰值效率，則必須通過(guò)打開(kāi)碳化硅MOSFET溝道而不是只通過(guò)體二極管進(jìn)行升壓。

 

另一個(gè)要考慮的因素是器件結(jié)殼熱阻，這方面CoolMOS稍有優(yōu)勢(shì)，由于CoolSiC芯片尺寸較小，在相同封裝情況下，CoolSiC熱阻為1.0K/W（IMW65R048M1H），而CoolMOS則為0.8K/W（IPW60R070CFD7），但實(shí)證明這些熱阻的差異在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以忽略。

 

在工作溫度范圍內(nèi)導(dǎo)通電阻與硅器件比較

 

從器件參數(shù)上，設(shè)計(jì)人員可以快速明白碳化硅MOSFET其中好處之一，這個(gè)參數(shù)是導(dǎo)通電阻RDS（on）。

 

在芯片溫度100°C時(shí)，CoolSiC有較低的倍增系數(shù)（multiplication factor，K），約為1.13，而CoolMOS則為1.67，這意味著在芯片溫度100°C時(shí)的工作溫度下，一個(gè)84mΩ的CoolSiC器件具有與57mΩ CoolMOS器件相同的RDS（on）。

 

這也清楚地表明，僅僅比較數(shù)據(jù)手冊(cè)中硅MOSFET和碳化硅MOSFET的 RDS（on）并不能反應(yīng)實(shí)際導(dǎo)通損耗的問(wèn)題。在芯片溫度低范圍，CoolSiC由于其較低的斜率倍增系數(shù)和對(duì)溫度的低依賴性，讓CoolSiC具有更高的擊穿電壓V（BR）DSS，因此比硅器件具有更大優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于那些位于室外或需要在低溫環(huán)境中啟動(dòng)的設(shè)備非常有幫助。

與CoolMOS驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中相同，CoolSiC MOSFET也可以使用EiceDRIVER驅(qū)動(dòng)集成電路。但是，應(yīng)注意的是，由于傳輸特性的差異（ID與VGS），CoolSiC這個(gè)器件的柵極電壓（VGS）應(yīng)以18V驅(qū)動(dòng)，而不是CoolMOS使用的典型值12V。

 

這樣才可提供CoolSiC數(shù)據(jù)表中定義的RDS（on），如驅(qū)動(dòng)CoolSiC電壓限制為15V時(shí)它的導(dǎo)通電阻值高出18％。

 

如果設(shè)計(jì)CoolSiC電路時(shí)允許選擇新的驅(qū)動(dòng)集成電路器，則值得考慮具有較高欠壓鎖定（約13V）的驅(qū)動(dòng)集成電路，以確保CoolSiC 和系統(tǒng)可以在任何異常工作條件下安全運(yùn)行。

 

碳化硅MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在25°C至150°C溫度之間，對(duì)傳輸特性的改變非常有限。

 

圖2：在25°C（左）和150°C（右）的傳輸特性曲線表明，碳化硅MOSFET 受到的影響明顯低于硅MOSFET。

 

避免負(fù)柵極電壓

 

需要注意的一個(gè)問(wèn)題是要確保不允許柵極-源極關(guān)斷電壓（VGS）變得負(fù)值過(guò)大。理想情況下，不應(yīng)施加負(fù)的關(guān)斷電壓，但所以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)在原型制作時(shí)進(jìn)行檢查，將電路電壓振蕩降低不要讓振蕩電壓影響柵極-源極關(guān)斷電壓變成負(fù)值。

 

當(dāng)VGS低于-2V，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)15ns，這樣可能出現(xiàn)柵極閾值電壓（VGS（th））漂移，導(dǎo)致RDS（on）增大，以及整個(gè)應(yīng)用生命周期內(nèi)系統(tǒng)效率降低。負(fù)VGS出現(xiàn)的一個(gè)原因是由關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)集成電路和碳化硅MOSFET之間電路板寄生電感制造的柵源極電壓振蕩，這振蕩是由于碳化硅MOSFET關(guān)斷時(shí)電路板寄生電感有高速關(guān)斷電流(di/dt)通過(guò)所致。

 

第二個(gè)常見(jiàn)原因是導(dǎo)通時(shí)由電容驅(qū)動(dòng)的柵極-源極電壓，其源于半橋配置中第二個(gè)碳化硅MOSFET的高dv/dt開(kāi)關(guān)。

 

硅MOSFET設(shè)計(jì)中在此類(lèi)問(wèn)題一般可以通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器和硅MOSFET柵極之間插入一個(gè)高阻值電阻，或找到一種減慢di/dt和dv/dt的方式來(lái)解決。不幸的是，這些方法會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加和系統(tǒng)效率降低。而在使用碳化硅MOSFET時(shí)，只需在柵極和源極之間增加一個(gè)二極管電壓鉗位即可解決這一難題。

 

在碳化硅MOSFET的設(shè)計(jì)中，如果該振蕩問(wèn)題是純電感性，降低振蕩方法是將碳化硅MOSFET源極分為電源極和驅(qū)動(dòng)器源極，鉗位二極管連接碳化硅MOSFET柵極和驅(qū)動(dòng)器源極之間。

 

當(dāng)然首選方法并使用開(kāi)爾文源極（Kelvin source）封裝的碳化硅MOSFET，特別在大電流應(yīng)用中。

 

例如，在3.3kW 連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）圖騰PFC中，關(guān)斷電流可以達(dá)到25A至30A。CoolSiC IMZA65R048M1H的開(kāi)通損耗EON比不使用開(kāi)爾文源極封裝的相同RDS（on）的 TO-247封裝碳化硅MOSFET, IMWA65R048M1H能夠降低三倍。

 

圖3：為避免碳化硅MOSFET的柵極電壓變?yōu)樨?fù)值，應(yīng)考慮使用二極管鉗位、或獨(dú)立的端和開(kāi)爾文源極。

 

實(shí)現(xiàn)超過(guò)99％的效率

 

在漏極-源極電壓VDS高于50V時(shí)，CoolSiC MOSFET輸出電容COSS也比相對(duì)應(yīng)的CoolMOS MOSFET更高，CoolSiC MOSFET相對(duì)較大輸出電容COSS實(shí)際上可以降低關(guān)閉期間的過(guò)沖水平。

 

對(duì)于這兩種器件技術(shù)，峰值VDS, max設(shè)置為數(shù)據(jù)表極限的80％。CoolMOS需要一個(gè)高柵極電阻來(lái)滿足要求，這種方法導(dǎo)致上面已經(jīng)提到的效率降低，但CoolSiC設(shè)計(jì)則可以不使用這種電阻方案，因而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和布局以及它們的應(yīng)用場(chǎng)景。這種好處取決于設(shè)計(jì)人員能否降低電路板寄生參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

 

碳化硅MOSFET的QOSS特性也有利于硬開(kāi)關(guān)和諧振開(kāi)關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)。與硅MOSFET相比，碳化硅MOSFET的電荷QOSS降低了75％，因此所需的放電時(shí)間更少，這會(huì)降低CCM圖騰柱PFC的Eon損耗。

 

而且，雖然CoolMOS CFD/CFD7系列的Qrr比上一代 CoolMOS CFD改進(jìn)了十倍，但CoolSiC的Qrr參數(shù)再比CoolMOS CFD/CFD7的 Qrr又降低了五到十倍。

 

這意味著，通過(guò)使用48mΩCoolSiC器件，對(duì)于3.3kW CCM圖騰PFC而言，可以實(shí)現(xiàn)99％以上的效率，而在Dual Boost PFC設(shè)計(jì)中使用CoolMOS的最佳效率只能達(dá)到98.85％的峰值。

 

而且，盡管碳化硅MOSFET成本較高，但如果比較兩種設(shè)計(jì)方法的物料清單（BOM），結(jié)果是碳化硅MOSFETSiC解決方案物料清單相對(duì)的減少，可提供更具成本競(jìng)爭(zhēng)力，而效率高達(dá)99％的解決方案。

 

 

圖4：即便是107mΩ的CoolSiC CCM圖騰PFC其效率也接近99％，多數(shù)情況下性能都可超過(guò)最佳的CoolMOS Dual Boost PFC方案。

 

總結(jié)

 

多年來(lái)，盡管硅MOSFET的技術(shù)進(jìn)步使其在寄生參數(shù)方面取得了顯著改善，但硅的基本物理學(xué)特性仍然在阻礙著其性能的進(jìn)一步提高，這限制了創(chuàng)新且又簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用，因而也阻礙了可持續(xù)綠色高效率的拓?fù)浒l(fā)展。

 

本文討論的碳化硅MOSFET技術(shù)在應(yīng)用中同樣也存在挑戰(zhàn)，并非所有碳化硅MOSFET寄生特性都比硅MOSFET為好。但是，這種技術(shù)確實(shí)能夠提供許多優(yōu)勢(shì)，加上在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的牢固性，使其值得在更高效電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中考慮采用。

 

650V CoolSiC系列的推出令這些優(yōu)勢(shì)更加明顯，從而使碳化硅MOSFET技術(shù)在將功率轉(zhuǎn)換效率推向更高極限的同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)方面也更加切實(shí)可行。