作者@@：儒卓力@@功率产品销售经理@@ Hannah Metzner和@@英飞凌@@ PSS 部门高级工程师@@ René Mente
相比@@基于@@@@硅@@(Si)的@@MOSFET，基于@@碳化硅@@(SiC)的@@MOSFET器件@@可实现更高的@@效率水平@@，但@@有时@@难以轻易决定这项技术@@是否更好的@@选择@@。本文将阐述需要考虑哪些标准因素@@。
超过@@ 1000 V 电压的@@应用通常使用@@IGBT解决方案@@。但@@现在@@的@@@@SiC 器件@@性能卓越@@，能够实现快速开关的@@单极组件@@，可替代双极@@ IGBT。这些@@SiC器件@@可以在@@较高的@@电压下实施先前仅仅在@@较低电压@@ (<600 V) 下才可行的@@应用@@。与@@双极@@ IGBT 相比@@，这些@@基于@@@@ SiC 的@@ MOSFET 可将功率损耗降低@@多达@@ 80%。
英飞凌进一步优化了@@ SiC器件@@的@@@@优势@@特性@@——通过使用@@CoolSiC Trench 技术@@，可以实现具有极高阈值电压@@ (Vth) 和@@低米勒电容的@@@@ MOSFET器件@@。相比@@其他@@ SiC MOSFET ，它们对于不良的@@寄生导通效应更具弹性@@。除了@@ 1200 V 和@@ 1700 V 型号之外@@，英飞凌还扩展了产品组合@@，加入了@@650 V CoolSiC MOSFET，该器件@@也可用于@@ 230 V 电源应用@@。这些@@SiC器件@@具有更高的@@系统效率和@@稳健性@@，以及更低的@@系统成本@@，适用于电信@@、服务器@@、电动汽车充电站和@@电池组等应用@@。
如果在@@基于@@@@Si的@@成熟@@MOSFET技术@@，和@@基于@@@@ SiC 的@@较新@@ MOSFET之间进行选择@@，需要考虑多种因素@@。
应用效率和@@功率密度@@
与@@Si器件@@相比@@@@，SiC器件@@的@@@@RDSon在@@工作温度范围内不易发生波动@@。使用基于@@@@ SiC 的@@ MOSFET，RDSon 数值在@@@@ 25°C到@@100°C温度之间仅仅偏移大约@@ 1.13 倍@@，而使用典型的@@基于@@@@Si MOSFET（例如英飞凌的@@@@@@ CoolMOSTM C7器件@@）时@@，RDSon 则会偏移@@1.67 倍@@。这表明针对@@基于@@@@@@SiC 的@@ MOSFET器件@@，工作温度对于功率损耗的@@影响要小得多@@，因而可以采用@@高得多的@@工作温度@@。因此@@，基于@@ SiC 的@@ MOSFET 非常适合高温应用@@，或@@者可以使用较简单的@@冷却解决方案@@来实现相同的@@效率水平@@。
图片@@来源@@：儒卓力@@
与@@ IGBT 相比@@，基于@@ SiC 的@@ MOSFET 具有较低的@@电导损耗以及可降低@@多达@@ 80% 的@@开关损耗@@。(在@@使用英飞凌@@650 V CoolSiC MOSFET的@@示例中@@)
驱动器@@
当从@@Si转换到@@@@SiC时@@，其中一个问题是选择合适的@@驱动器@@@@。如果基于@@@@Si的@@ MOSFET 驱动器@@产生的@@最高栅极导通电压不超过@@@@15 V，它们通常可以继续使用@@。然而@@，高达@@ 18 V栅极导通电压可以进一步显着降低@@电阻@@ RDSon（在@@ 60°C 时@@可降低@@多达@@ 18%），因此@@，值得考虑改用其它驱动器@@@@。
另外还建议避免在@@栅极处出现负电压@@，因为这会导致@@ VGS(th)发生偏移@@，从而使@@ RDSon 随着工作时@@间延长而增加@@。在@@栅极驱动环路中@@，源极电感上的@@电压降导致高@@ di/dt，这可能引起负@@VGS(off)电平@@。很高的@@@@ dv/dts 带来了更大的@@挑战@@，这是由于半桥配置中第二个开关的@@栅极漏极电容引起的@@@@。可以通过降低@@@@ dv/dt 来避免这个问题@@，但@@代价是效率的@@下降@@。
限制负栅极电压的@@最佳方法@@是通过开尔文源极概念使用单独的@@电源和@@驱动器@@电路@@，并集成二极管钳位@@。位于开关的@@栅极和@@源极之间的@@二极管钳位限制栅极出现负电压@@。
反向恢复电荷@@ Qrr
特别针对@@使用导通体二极管进行连续硬换向的@@谐振@@拓扑或@@设计@@，还必须考虑反向恢复电荷@@@@ Qrr。当二极管不再导电时@@@@，这是必须从集成的@@体二极管中去除的@@电荷@@（存在@@于所有二极管中@@）。各组件制造商都做出了巨大的@@努力@@，以便尽可能地降低@@这种电荷@@。英飞凌的@@@@“Fast Diode CoolMOS”系列就是这些@@努力成果的@@示例@@。它们具有更快速的@@体二极管@@，与@@前代产品相比@@@@，可以将@@ Qrr 降低@@ 10 倍@@。英飞凌的@@@@ CoolSiC 系列在@@这方面取得了进步@@，与@@最新的@@@@ CoolMOS 组件相比@@@@，这些@@SiC MOSFET 实现了@@10 倍@@的@@性能改进@@。
Trench 技术@@极大程度地减少了使用中的@@功率损耗@@，并提供了极高的@@运行可靠性@@。
采用@@CoolSiC技术@@，用户可以开发具有更少组件和@@磁性@@188足彩外围@@app 及散热器的@@系统@@，从而简化系统设计@@，并减低体积和@@成本@@。借助@@Trench 技术@@，这些@@组件还保证达到@@极低的@@使用损耗和@@极高的@@运行可靠性@@。
功率因数校正@@ (PFC)
目前行业的@@重点是提高@@系统效率@@。为了实现至少@@ 98% 的@@效率数值@@，业界针对@@功率因数校正@@@@ (PFC)付出了很多努力@@。具备@@优化@@ Qrr 的@@ 基于@@SiC MOSFET 有助于实现这一目标@@。它们可以实现用于@@PFC的@@硬开关半桥@@/全桥拓扑@@。针对@@CoolMOS 技术@@，英飞凌先前推荐@@“三角电流模式@@(Triangular Current Mode)”方法@@，但@@使用@@ SiC 器件@@可以实现具有连续导通模式的@@图腾柱@@ PFC。
输出电容@@ COSS
在@@硬开关拓扑中必须消耗存储的@@能量@@ EOSS；对于最新的@@@@ CoolMOS型款@@，这种能量通常较大@@。然而@@，与@@图腾柱@@ PFC 的@@导通损耗相比@@@@，它仍然相对较低@@，因此@@可以忽略不计@@，至少初期如此@@。较低的@@电容意味着可以从更快的@@开关速度中受益@@，但@@这也可能引起导通期间的@@漏极源极电压过冲@@ (VDS)。
针对@@基于@@@@Si的@@ MOSFET，可以通过使用@@外部栅极电阻加以补偿@@，以降低@@开关速率@@，并且在@@漏源处实现所需的@@@@ 80% 电压降额@@。这种解决方案@@的@@缺点是增加电流会导致更多开关损耗@@，尤其是在@@关断期间@@。
在@@50 V漏源电压下@@，基于@@ SiC 的@@ MOSFET 的@@输出电容@@要大于可比较的@@基于@@@@ Si 的@@功率半导体器件@@@@，但@@ COSS/VDS 的@@关系更加线性@@。其结果是@@，相比@@基于@@@@ Si 的@@MOSFET型款@@，基于@@ SiC 的@@ MOSFET 允许在@@相同的@@电路中使用较低的@@外部电阻@@，而不会超出最大漏源电压@@。这在@@某些电路拓扑中是有利的@@@@，例如在@@@@ LLC 谐振@@ DC/DC 转换器中@@，可以省去额外的@@栅极电阻器@@。
结论@@
尽管@@SiC技术@@拥有诸多优势@@，但@@基于@@@@Si的@@ MOSFET不一定会过时@@@@。部分原因是由于体二极管的@@阈值电压要高得多@@，直接使用基于@@@@@@ SiC 的@@型款@@来替换基于@@@@ Si 的@@ MOSFET，将会导致体二极管的@@功率损耗增加四倍@@@@，基本上抵消了效率增益@@。如要真正受益于基于@@@@ SiC 的@@ MOSFET 的@@更高效率@@，必须在@@@@ MOSFET 通道上使用@@ PFC 的@@升压功能@@，而不是在@@体二极管上反向使用@@。还必须优化死区时@@间性能@@，以充分利用基于@@@@ SiC 的@@ MOSFET 的@@优势@@。
文章来源@@：儒卓力@@