關(guān)于SiC MOSFET的新的電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

碳化硅（SiC）MOSFET提供了巨大的新特性和功能，但同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。ROHM半導(dǎo)體器件使工程師能夠充分利用SiC MOSFET，同時(shí)克服了驅(qū)動(dòng)它們的挑戰(zhàn)。

擴(kuò)展MOSFET功能

晶體管作為數(shù)字電子的基礎(chǔ)模塊間歇地存在?；诎雽?dǎo)體的晶體管的發(fā)明取代了用于電子開(kāi)關(guān)的真空管，使人類在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了最終的飛躍。

電子器件中最常見(jiàn)的晶體管類型是MOSFET晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這些晶體管利用半導(dǎo)體材料的特殊特性，允許較小的電流信號(hào)來(lái)控制有時(shí)更大的電流信號(hào)的切換。一種類型的MOSFET，作為功率電子電路中的開(kāi)關(guān)提供，并且經(jīng)過(guò)特別優(yōu)化，可以承受高電壓并以最小的能量損耗傳遞負(fù)載電流。

一種新的化合物半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）與硅相比，在制造這些功率開(kāi)關(guān)MOSFET方面具有許多優(yōu)勢(shì)，它非常堅(jiān)硬。SiC的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是其10倍，帶隙是其3倍，并且能夠?qū)崿F(xiàn)器件構(gòu)造所需的各種p型和n型控制。SiC的導(dǎo)熱系數(shù)是其3倍，意味著硅的冷卻能力是其3倍。

圖1：半導(dǎo)體材料比較（碳化硅，硅和氮化鎵）

碳化硅，也稱為金剛砂，是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體。它在自然界中是一種稀有的礦物，稱為莫桑石（moissanite），但自19世紀(jì)以來(lái)已作為磨料大規(guī)模生產(chǎn)。SiC直到最近才開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)能夠高速運(yùn)行的高溫，高壓半導(dǎo)體器件。

SiC MOSFET越來(lái)越受歡迎

因此，由碳化硅構(gòu)成的MOSFET較單獨(dú)的硅具有明顯的步進(jìn)改進(jìn)。SiC MOSFET具有更高的擊穿電壓，更好的冷卻和耐溫性，因此可以做得更小。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）主要用于開(kāi)關(guān)600V以上的電壓，但是碳化硅材料使MOSFET可以在1700V和更高的電流下使用。SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗也比IGBT小得多，并且可以在更高的頻率下工作。

圖2：SiC MOSFET與Si MOSFET和IGBT的優(yōu)勢(shì)

由于這些優(yōu)點(diǎn)和其他優(yōu)點(diǎn)，SiC MOSFET越來(lái)越多地用于工業(yè)設(shè)備的電源以及高效功率調(diào)節(jié)器的逆變器/轉(zhuǎn)換器。

羅姆的解決方案

但是，SiC MOSFET也提出了新的電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。最重要的是，它們需要高電流柵極驅(qū)動(dòng)器，以快速提供所需的全部柵極電荷（Qg）。SiC MOSFET僅在建議的18V至20V柵極至源極（Vgs）電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)才呈現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，該電壓明顯高于驅(qū)動(dòng)硅MOSFET或IGBT所需的10V至15V Vgs。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET帶來(lái)的挑戰(zhàn)，羅姆提供了兩種互補(bǔ)的解決方案。首先是他們最新的SiC MOSFET器件的新封裝創(chuàng)新。第二個(gè)是能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)20A的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器器件。這些ROHM解決方案一起使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)SiC MOSFET器件必須具備的所有優(yōu)勢(shì)。

具有驅(qū)動(dòng)器源極引腳的SiC MOSFET

ROHM的新型SiC MOSFET封裝創(chuàng)新增加了一個(gè)引腳，以提供獨(dú)立于電源的驅(qū)動(dòng)器源。在傳統(tǒng)的3引腳FET中，由于引腳的電感和流經(jīng)器件的高負(fù)載電流而在源極引腳上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)有效地降低了晶體管所看到的Vgs。較低的Vgs抑制了晶體管的完全導(dǎo)通。在具有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器源引腳的新設(shè)備中，該引腳提供從柵極驅(qū)動(dòng)器到內(nèi)部晶體管源的直接訪問(wèn)。因此，避免了對(duì)電源引腳的電感影響。

圖3：傳統(tǒng)的3引線MOSFET與帶有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器源極引腳的新封裝

具有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器源極引腳的SiC MOSFET具有4引腳或7引腳封裝。4引腳封裝是TO-247-4L，并由ROHM零件編號(hào)SCT3xxxAR或SCT3xxxKR表示。7引腳封裝是TO-263-7L，并由ROHM零件編號(hào)SCT3xxxAW7或SCT3xxxKW7表示。

圖4：具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器源極引腳的SiC MOSFET封裝

大電流柵極驅(qū)動(dòng)器

ROHM的新型帶電隔離的晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器（BM6112）非常適合驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的獨(dú)特挑戰(zhàn)。它可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)20A的高電流，驅(qū)動(dòng)高達(dá)20V的柵極電壓，并以小于150ns（最大）的I / O延遲完成所有操作。該柵極驅(qū)動(dòng)器具有令人印象深刻的整套功能和認(rèn)證，包括3750 Vrms隔離，欠壓鎖定（UVLO）和短路保護(hù)，使設(shè)計(jì)人員能夠充分利用SiC MOSFET。

大多數(shù)傳統(tǒng)的FET柵極驅(qū)動(dòng)器無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET，因此它們需要在柵極驅(qū)動(dòng)器和FET之間使用緩沖器。但是，BM6112在大多數(shù)情況下都可以直接驅(qū)動(dòng)單個(gè)SiC MOSFET。但是，在驅(qū)動(dòng)功率模塊時(shí)，幾乎總是需要柵極驅(qū)動(dòng)緩沖器。

BM6112通過(guò)了汽車認(rèn)證（AEC-Q100），適用于汽車，工業(yè)逆變器和UPS系統(tǒng)應(yīng)用。

創(chuàng)新求救

SiC半導(dǎo)體材料的使用代表了MOSFET器件技術(shù)的飛躍。SiC MOSFET快速，高壓和高溫。它們準(zhǔn)備以更快的速度，更小的尺寸和更低的損耗在許多應(yīng)用中取代IGBT。通過(guò)添加獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器源極引腳和隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET柵極的封裝創(chuàng)新，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)中充分利用SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)。

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