為什么EliteSiC M3S技術是高速開關應用的更優(yōu)選擇？

作者：Fatih Cetindag，安森美汽車電源部應用工程師

本文將介紹三相功率因數(shù)校正 (PFC) 轉換器的器件特性測試和仿真結果，轉換器使用兩款TO247-4L封裝的不同SiC MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管) 實現(xiàn)。被測器件之一來自安森美 (onsemi) 新推出的EliteSiC M3S系列，其針對低開關損耗進行了優(yōu)化，另一款被測器件來自競爭對手，其基本參數(shù)如表1所示。本文還討論了器件參數(shù)如何影響相對性能。

開關器件中的功率損耗可分為導通損耗和開關損耗。由于電流或電壓不可能瞬時改變電平，因此存在上升和下降時間，開關損耗也就隨之產(chǎn)生。對于功率 MOSFET 的電壓和電流，上升和下降時間取決于器件寄生電容的充放電速度。此外，體二極管的反向恢復電荷也會造成開關損耗。另一方面，當器件“開啟”傳導電流時，器件會有導通損耗。器件的動態(tài)參數(shù)決定開關損耗，而導通損耗則與靜態(tài)參數(shù)有關。通過研究這些參數(shù)，設計人員可以深入了解器件性能與功率損耗大小的關系。影響開關損耗的主要參數(shù)是器件電容（C_oss、C_iss和C_rss）和體二極管反向恢復電荷 (Q_rr)。相比之下，造成導通損耗的主要因素是R_DS(on)和V_SD（體二極管壓降）。

首先，在不同條件下使用雙脈沖測試裝置進行動態(tài)特性測試，以比較每個MOSFET的關鍵參數(shù)，如圖1所示。然后進行三相PFC仿真，以比較每個MOSFET的整體系統(tǒng)效率。

圖 1：雙脈沖測試電路簡化示意圖

表1：兩款被測器件的資料手冊信息

R_DS(on)和V_SD（體二極管壓降）是最重要的靜態(tài)參數(shù)，我們在多種測試條件下進行了測試。安森美NVH4L022N120M3S與競爭對手A的備選SiC MOSFET進行了對比測試。表2中總結的結果表明，在所有測量的溫度和電流下，安森美NVH4L022N120M3S性能更優(yōu)越，其V_SD均更低。根據(jù)這些結果可知，其導通損耗更低。

表2：不同測試條件下V_SD的比較

R_DS(on) 是另一個可用于預測器件導通損耗的關鍵參數(shù)。因此，在25°C和175°C結溫下對兩個器件的R_DS(on)參數(shù)進行了測定。R_DS(on)的測量在15V和18V兩種柵源電壓下進行，使用300μs的導通脈沖寬度。測試結果表明，競爭產(chǎn)品A在每種測試條件下的R_DS(on)都略低，這說明在給定結溫下，其導通損耗低于M3S。

圖2：兩個MOSFET在25°C（左）和175°C（右）下的R_DS(on)比較

SiC MOSFET中不存在少數(shù)載流子，因此尾電流不會像在Si IGBT中那樣影響性能，結果是關斷損耗顯著降低。此外，SiC器件具有比Si MOSFET更低的反向恢復電荷，因此峰值導通電流更小，導通損耗更低。輸入電容(C_iss)、輸出電容 (C_oss)、反向傳輸電容 (C_rss) 和反向恢復電荷 (Q_rr) 是造成開關損耗的主要參數(shù)，值越小通常損耗越低。在開關應用中，開關瞬態(tài)間隔期間的漏源電壓顯著高于 6V，因此高電壓區(qū)域是這些開關曲線的關鍵部分。當V_DS≥6V時，NVH4L022N120M3S的C_iss、C_oss和C_rss值更低（圖3），這意味著其導通損耗和關斷損耗低于競爭產(chǎn)品A。

圖3：輸入C_iss、輸出C_oss和反向傳輸C_rss電容的比較

在25°C和175°C時，通過雙脈沖測試在多種負載電流條件下測量了兩款器件的開關損耗，如圖4和圖5所示。測試條件如下：

平均而言，與競爭產(chǎn)品A相比，對于10A至100A的負載電流，M3S的開關損耗在25°C時要低5%，在175°C時要低9%。主要原因是得益于安森美的M3S工藝技術，其E_ON損耗更低。

圖4.25°C 時的開關損耗比較

圖5.175°C時的開關損耗

如前所述，MOSFET的反向恢復行為也會影響開關損耗。該參數(shù)的測試條件為：I_D=40A，di/dt=3A/ns（調整RG值以獲得相同di/dt），溫度為25°C。測試結果表明，M3S的反向恢復時間更短，反向恢復電荷更低，反向恢復能量更低，因此其反向恢復性能優(yōu)于競爭產(chǎn)品A。

圖6：M3S（左）和競爭產(chǎn)品 A（右）的反向恢復損耗比較

升壓型PFC和具有兩個電感 (LL)、一個電容 (C) 的LLC，是汽車車載充電器和高壓DC/DC轉換器中常用的電路拓撲。升壓型三相PFC拓撲包括六個開關器件，而全橋LLC拓撲有四個開關器件，次級側還有同步整流器。

圖7：升壓型三相PFC（左）和全橋LLC（右）

評估完導通損耗和開關損耗之后，接下來對三相升壓型PFC電路進行仿真（利用PSIM），使用以下測試條件分別比較采用每種類型MOSFET的系統(tǒng)效率：

仿真結果表明，對于相同的系統(tǒng)設計，采用NVH4L022N120M3S的三相升壓PFC系統(tǒng)在所有工作點上都表現(xiàn)出比競爭產(chǎn)品A更高的效率。

圖8：仿真估算：不同功率水平下的效率比較

在電力電子應用中，SiC 器件相比傳統(tǒng)硅基器件具有多項優(yōu)勢，包括更高的效率、更低的開關損耗和導通損耗，以及能夠在更高頻率下工作，從而支持更高功率密度的設計。與類似的競爭器件相比，安森美的 M3S 技術提供更勝一籌的開關性能和品質因數(shù)，包括ETOT、Q_rr、V_SD和整體系統(tǒng)效率。M3S技術專為滿足電動汽車高頻開關應用（如車載充電器和高壓DC/DC轉換器）的要求而打造。M3S MOSFET旨在實現(xiàn)導通損耗和開關損耗之間的平衡，從而適用于PFC和其他硬開關應用。