使用碳化硅基MOSFET提高功率轉(zhuǎn)換效率

更高的功率要求、法規(guī)要求以及效率和EMI問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)正在推動(dòng)電源對(duì)使用開(kāi)關(guān)功率器件的需求，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩男屎透鼘挼墓ぷ鞣秶?。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員一直面臨著降低成本和節(jié)省空間的壓力。面對(duì)這些要求，我們需要的是傳統(tǒng)硅（Si）基MOSFET的替代品。

碳化硅（SiC）已經(jīng)成為一個(gè)明確的選擇，因?yàn)樗呀?jīng)成熟并且是第三代?；?SiC 的 FET 具有許多性能優(yōu)勢(shì)，特別是在效率、更高的可靠性、更少的熱管理問(wèn)題和更小的占位面積方面。這些適用于整個(gè)功率譜，不需要徹底改變?cè)O(shè)計(jì)技術(shù)，盡管它們可能需要一些調(diào)整。

本文簡(jiǎn)要比較了 Si 與 SiC，介紹了 Wolfspeed 的 SiC 器件示例，并展示了如何開(kāi)始使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。

碳化硅與硅型場(chǎng)效應(yīng)管

首先，重要的是要清楚技術(shù)和術(shù)語(yǔ)：基于SiC的FET是MOSFET，就像它們的硅前輩一樣。從廣義上講，它們的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)相似，都是具有源極、漏極和柵極連接的三端子器件。

區(qū)別正如其名稱所示：基于SiC的FET使用碳化硅作為其基礎(chǔ)材料，而不是單獨(dú)的硅。業(yè)內(nèi)許多人將它們稱為碳化硅器件，而省略了MOSFET部分。本文將它們稱為碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管。

為什么使用SiC化合物作為材料？由于各種深層物理原因，SiC具有與硅顯著不同的三個(gè)主要電氣特性，每個(gè)特性都帶來(lái)操作優(yōu)勢(shì);還有其他更微妙的（圖1）。

圖 1：SiC 的關(guān)鍵材料特性與 Si 和 GaN 固體材料之間的近似比較。與Si相比，SiC具有更高的臨界擊穿率，更高的導(dǎo)熱性和更寬的帶隙。

它們是：

更高的臨界擊穿電場(chǎng)電壓約為每厘米2.8兆伏（Mvolts/cm），而0.3 Mvolts/cm，因此在給定的額定電壓下工作可以使用更薄的層，從而大大降低導(dǎo)通電阻。

更高的導(dǎo)熱性，可在橫截面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的電流密度。

半導(dǎo)體（和絕緣體）中價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差（eV）更寬，導(dǎo)致高溫下的漏電流較低。因此，SiC二極管和FET通常被稱為寬帶隙（WBG）器件

因此，近似而言，基于SiC的器件可以阻斷比硅器件高十倍的電壓，并且在25°C時(shí)，導(dǎo)通電阻為一半或更低時(shí)，開(kāi)關(guān)速度可以提高約十倍。 同時(shí)，它們能夠在 200°C 而不是 125°C 的更高溫度下工作，從而簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)和管理。

柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)實(shí)現(xiàn)效益至關(guān)重要

功率器件在沒(méi)有柵極驅(qū)動(dòng)器的情況下無(wú)法工作，柵極驅(qū)動(dòng)器將低電平數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的電流和電壓信號(hào)以及功率器件所需的時(shí)序（同時(shí)還針對(duì)大多數(shù)類型的外部故障提供一些保護(hù)）。對(duì)于SiC FET，驅(qū)動(dòng)器必須包括附加功能才能提供以下功能：

將導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗以及柵極損耗降至最低。這些損耗包括關(guān)斷和導(dǎo)通能量、米勒效應(yīng)和柵極驅(qū)動(dòng)電流要求。關(guān)斷能量是關(guān)斷狀態(tài)下柵極電阻和柵源電壓的函數(shù)。為了減少這些電流，必須從柵極排出更多的電流。實(shí)現(xiàn)此目的的方法之一是驅(qū)動(dòng)器在關(guān)斷期間對(duì)柵極電壓施加負(fù)偏置。同樣，通過(guò)降低柵極電阻來(lái)降低導(dǎo)通能量。

盡量減少米勒效應(yīng)及其負(fù)面影響，其中寄生電容在某些情況下和應(yīng)用配置下可能會(huì)導(dǎo)致意外導(dǎo)通。這種米勒誘導(dǎo)的導(dǎo)通增加了反向恢復(fù)能量并增加了損耗。一種解決方案是驅(qū)動(dòng)器具有所謂的米勒箝位保護(hù)功能，該功能在功率級(jí)切換期間控制驅(qū)動(dòng)電流。

在適當(dāng)?shù)碾妷合绿峁┧璧墓嚯娏骱屠娏?。SiC 器件通常需要比硅 MOSFET 更高的正偏置柵極驅(qū)動(dòng)（+20 V），以最大限度地降低損耗;它們可能還需要 -2 至 -6 V 之間的負(fù) OFF 柵極電壓。所需的柵極電流由基于柵極電荷 （Qg）、V DD、漏極電流 ID、柵源電壓和柵極電阻的常規(guī)計(jì)算確定，通常約為幾安培。該電流必須具有足夠的灌電流和拉電流額定值，其壓擺率必須與 SiC FET 的開(kāi)關(guān)速度相稱

對(duì)電路板和器件寄生效應(yīng)（雜散電感和電容）進(jìn)行建模并最小化，這些寄生效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致振蕩、電壓/電流過(guò)沖和誤觸發(fā)，而這些器件的開(kāi)關(guān)速度較高時(shí)，這些寄生效應(yīng)。硅MOSFET具有一個(gè)小的電流“尾部”，可用作阻尼器或緩沖器，以在一定程度上減少過(guò)沖和振鈴。SiC MOSFET沒(méi)有這個(gè)尾部，因此漏極電壓過(guò)沖和振鈴可能會(huì)更高并引起問(wèn)題。要減少這些寄生效應(yīng)，需要仔細(xì)注意布局問(wèn)題，最大限度地減小導(dǎo)體長(zhǎng)度，并將驅(qū)動(dòng)器放置在盡可能靠近其功率器件的位置。即使是幾厘米也會(huì)產(chǎn)生影響，因?yàn)檫@些雜散電感和電容的影響在SiC FET的較高開(kāi)關(guān)速度下更為明顯。減少振鈴還有第二個(gè)好處，因?yàn)樗鼫p少了與器件驅(qū)動(dòng)側(cè)和負(fù)載側(cè)高速開(kāi)關(guān)相關(guān)的EMI的產(chǎn)生。

盡管驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET時(shí)涉及其他問(wèn)題，但許多供應(yīng)商都提供為此目的設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)IC，其屬性與SiC器件的特定需求相匹配。請(qǐng)注意，在許多設(shè)計(jì)中，柵極驅(qū)動(dòng)器和SiC FET必須與低壓電路電氣隔離。這可以通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)元件的光學(xué)、脈沖變壓器或電容隔離技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隔離首先是為了安全起見(jiàn)，以便在電路故障時(shí)保護(hù)用戶免受高壓的影響，其次是在許多 MOSFET 固有不接地的電路拓?fù)渲校鐦蚴脚渲谩?/p>

新器件展示性能

第一個(gè)商用封裝的SiC MOSEFT，CMF20120D，由Wolfspeed于2011年2015月推出（Wolfspeed是Wolfspeed的功率和RF部門(mén);該名稱于1200年宣布）;碳化硅晶圓在幾年前就已經(jīng)上市。該器件的額定電壓為 98 V/80 A，導(dǎo)通電阻為 25 mΩ（均為 247?C），采用 TO-2 封裝。Wolfspeed 很快推出了第二代工藝，現(xiàn)在提供第三代 SiC MOSEFT 指定為 C3M 器件（圖 3）。

圖 2：Wolfspeed 第 2 代（左）和第三代（右）SiC 工藝結(jié)構(gòu)的比較顯示出適度的差異，但這些橫截面并未顯示出性能規(guī)格的最終改進(jìn)。

例如，業(yè)界首個(gè) 900 伏 SiC MOSFET 平臺(tái)的成員之一是 C3M0280090J。它針對(duì)高頻電力電子應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，包括可再生能源逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)和三相工業(yè)電源（表 1）。

表 1：Wolfspeed C3M0280090J SiC MOSFET 的頂級(jí)屬性顯示了其適用于可再生能源逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)和三相工業(yè)電源。（表源：狼速）

除電壓/電流規(guī)格外，該器件還針對(duì)低電容的高速開(kāi)關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化，具有帶驅(qū)動(dòng)器源極連接的低阻抗封裝（圖 3），包括一個(gè)具有低反向恢復(fù)電荷 （Qrr） 的快速本征二極管，漏極和源極之間的爬電距離很寬 （~7 mm （mm））。

圖 3：Wolfspeed C3M0280090J 采用低阻抗封裝，帶有驅(qū)動(dòng)器源連接。

這款 900 伏平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)更小、更高效的下一代電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其成本與硅基解決方案相當(dāng)，但規(guī)格優(yōu)越。安全工作區(qū) （SOA） 圖總結(jié)了該 SiC FET 的功能（圖 4）。當(dāng)漏源電壓（VDS）較低時(shí)，最大電流受導(dǎo)通電阻限制;在中等VDS下，該器件可在短時(shí)間內(nèi)維持15 A電流。

圖 4：Wolfspeed C3M0280090J 的 SOA 圖顯示了其 I DS 與 VDS 功能。

包裝影響性能

Wolfspeed 還提供三種規(guī)格相似的器件——C3M0075120D、C3M0075120K 和 C3M0075120J，但差異很大程度上是由于它們的封裝（圖 5）。

圖 5：Wolfspeed 在三種封裝中提供相同的 1200 伏 SiC FET，規(guī)格大致相似但不完全相同。（圖片來(lái)源：狼速）

雖然數(shù)字提供了事實(shí)，但故事還有更多。D 后綴器件采用三端子封裝 （TO-247-3），而 K 后綴采用四端子封裝 （TO-247-4）。這兩款器件以及七端子 J 后綴器件包括一個(gè)開(kāi)爾文源極引腳，可降低柵極電路中 L × di/dt 引起的電壓尖峰的影響。這允許在柵極和源極施加更多電壓，從而實(shí)現(xiàn)更快的動(dòng)態(tài)切換。結(jié)果表明，當(dāng)在接近其額定電流時(shí)測(cè)量器件時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能會(huì)降低3.5倍。

評(píng)估板、參考設(shè)計(jì)加速成功

盡管與千兆赫茲頻率RF設(shè)計(jì)處于頻譜的另一端，但創(chuàng)建在更高電壓和功率范圍內(nèi)工作的高性能電路仍然需要注意細(xì)節(jié)。組件和布局的每一個(gè)微妙之處和特質(zhì)都被放大了，物理電路對(duì)最小的問(wèn)題和疏忽都是無(wú)情的。

為了幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估 C3M0075120D 和 C3M0075120K 等 SiC FET，Wolfspeed 提供了 KIT-CRD-3DD12P 降壓-升壓評(píng)估套件，以演示這些器件的高速開(kāi)關(guān)性能。它設(shè)計(jì)用于接受 C3M0075120D 的三端子封裝以及其他相同 C3M0075120K 的四端子封裝。這使設(shè)計(jì)人員能夠測(cè)試和比較 Wolfspeed 第 3 代 （C3M） MOSFET 在各種封裝中的性能。

該評(píng)估套件采用半橋配置，允許在上下位置添加 MOSFET 或二極管，因此該板可以配置為常見(jiàn)的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)?，如同步降壓或同步升壓。它還允許在頂部或底部位置添加二極管，因此用戶可以評(píng)估異步降壓或異步升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

此外，為了降低功率損耗，該套件還配備了一個(gè)由“sendust”組成的低損耗電感器。這種磁性金屬粉末也稱為Kool Mμ，由85%的鐵，9%的硅和6%的鋁組成，由于其改進(jìn)了關(guān)鍵磁性和溫度參數(shù)的規(guī)格，因此被用作坡莫合金的替代品。

對(duì)于需要設(shè)計(jì)自己的柵極驅(qū)動(dòng)器子電路的用戶，Wolfspeed 還為這些第三代 SiC FET 提供了 CGD15SG00D2 柵極驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)（圖 3）。

CGD8SG15D00的高級(jí)框圖（圖2）顯示了該參考設(shè)計(jì)的功能，包括光耦合器（U1）、柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路（U2）和隔離電源（X1）。光耦合器（5000 V 交流隔離）接受脈寬調(diào)制 （PWM） 信號(hào)，并提供 35/50 kV/微秒 （μs）（最小值/典型值）的共?？箶_度。其他值得注意的功能包括：

一個(gè)凹槽，用于增強(qiáng)印刷電路邏輯側(cè)和電源側(cè)之間的規(guī)定爬電距離規(guī)格，以及電路板初級(jí)電路和次級(jí)電路之間的 9 mm 爬電距離增強(qiáng)槽。

2 W 隔離電源，支持在更高頻率下運(yùn)行較大的 MOSFET。

使用專用二極管分離柵極導(dǎo)通和關(guān)斷電阻，允許用戶自定義和優(yōu)化導(dǎo)通和關(guān)斷信號(hào)。

邏輯電源輸入端的共模電感器可增強(qiáng) EMI 抗擾度。

結(jié)論

與傳統(tǒng)的硅MOSFET相比，Wolfspeed的第三代碳化硅MOSFET在功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用的效率和熱能力方面具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)與合適的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)合使用時(shí)，它們可為新興和已建立的應(yīng)用提供可靠、一致的性能。

審核編輯：郭婷