為什么EliteSiC M3S技術(shù)是高速開關(guān)應(yīng)用的更優(yōu)選擇？

本文來源：安森美

本文作者：Fatih Cetindag，安森美汽車電源部應(yīng)用工程師碳化硅 (SiC) 具有比硅 (Si) 更高的介電擊穿場強、能帶隙和熱導(dǎo)率，電力電子設(shè)計人員可以利用這些特性來開發(fā)比硅基IGBT器件效率更高、功率密度更大的電源轉(zhuǎn)換器。針對這些應(yīng)用，為了最大限度地減少高頻下的導(dǎo)通和開關(guān)損耗，需要使用低RDS(on)和低Qrr（體二極管反向恢復(fù)電荷）的器件。
本文將介紹三相功率因數(shù)校正 (PFC) 轉(zhuǎn)換器的器件特性測試和仿真結(jié)果，轉(zhuǎn)換器使用兩款TO247-4L封裝的不同SiC MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(guān)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。

了解MOSFET用作開關(guān)時的功率損耗開關(guān)器件中的功率損耗可分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)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(guān)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(fù)電荷也會造成開關(guān)損耗。另一方面，當器件“開啟”傳導(dǎo)電流時，器件會有導(dǎo)通損耗。器件的動態(tài)參數(shù)決定開關(guān)損耗，而導(dǎo)通損耗則與靜態(tài)參數(shù)有關(guān)。通過研究這些參數(shù)，設(shè)計人員可以深入了解器件性能與功率損耗大小的關(guān)系。影響開關(guān)損耗的主要參數(shù)是器件電容（Coss、Ciss和Crss）和體二極管反向恢復(fù)電荷 (Qrr)。相比之下，造成導(dǎo)通損耗的主要因素是RDS(on)和VSD（體二極管壓降）。動態(tài)特性測試首先，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(guān)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
靜態(tài)參數(shù)比較

RDS(on)和VSD（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(jié)的結(jié)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VSD均更低。根據(jù)這些結(jié)果可知，其導(dǎo)通損耗更低。
表2：不同測試條件下VSD的比較

RDS(on) 是另一個可用于預(yù)測器件導(dǎo)通損耗的關(guān)鍵參數(shù)。因此，在25°C和175°C結(jié)溫下對兩個器件的RDS(on)參數(shù)進行了測定。RDS(on)的測量在15V和18V兩種柵源電壓下進行，使用300μs的導(dǎo)通脈沖寬度。測試結(jié)果表明，競爭產(chǎn)品A在每種測試條件下的RDS(on)都略低，這說明在給定結(jié)溫下，其導(dǎo)通損耗低于M3S。
圖2：兩個MOSFET在25°C

（左）和175°C（右）下的RDS(on)比較動態(tài)參數(shù)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(jié)果是關(guān)斷損耗顯著降低。此外，SiC器件具有比Si MOSFET更低的反向恢復(fù)電荷，因此峰值導(dǎo)通電流更小，導(dǎo)通損耗更低。輸入電容(Ciss)、輸出電容 (Coss)、反向傳輸電容 (Crss) 和反向恢復(fù)電荷 (Qrr) 是造成開關(guān)損耗的主要參數(shù)，值越小通常損耗越低。在開關(guān)應(yīng)用中，開關(guān)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(guān)曲線的關(guān)鍵部分。當VDS≥6V時，NVH4L022N120M3S的Ciss、Coss和Crss值更低（圖3），這意味著其導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗低于競爭產(chǎn)品A。

圖3：輸入Ciss、輸出Coss和反向傳輸Crss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(guān)損耗，如圖4和圖5所示。測試條件如下：

• Vin=800V
• RG=4.7?
• VGS_on=+18V
• VGS_off=?3V
• ID=5?100A
  

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(guān)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(shù)，其EON損耗更低。

圖4.25°C 時的開關(guān)損耗比較
圖5.175°C時的開關(guān)損耗

如前所述，MOSFET的反向恢復(fù)行為也會影響開關(guān)損耗。該參數(shù)的測試條件為：ID=40A，di/dt=3A/ns（調(diào)整RG值以獲得相同di/dt），溫度為25°C。測試結(jié)果表明，M3S的反向恢復(fù)時間更短，反向恢復(fù)電荷更低，反向恢復(fù)能量更低，因此其反向恢復(fù)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(fù)損耗比較

常用汽車拓撲中的 MOSFET 性能仿真

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(zhuǎn)換器中常用的電路拓撲。升壓型三相PFC拓撲包括六個開關(guān)器件，而全橋LLC拓撲有四個開關(guān)器件，次級側(cè)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(dǎo)通損耗和開關(guān)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：

• VaLL=VbLL=VcLL=400V
• fline=50Hz
• RG=4.7?
• VOUT=800V
• fSW=100kHz
• POUT=11kW（最大值）

仿真結(jié)果表明，對于相同的系統(tǒng)設(shè)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M3S 是開關(guān)應(yīng)用的更優(yōu)選擇

在電力電子應(yīng)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(guān)損耗和導(dǎo)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(shè)計。與類似的競爭器件相比，安森美的 M3S 技術(shù)提供更勝一籌的開關(guān)性能和品質(zhì)因數(shù)，包括ETOT、Qrr、VSD和整體系統(tǒng)效率。M3S技術(shù)專為滿足電動汽車高頻開關(guān)應(yīng)用（如車載充電器和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器）的要求而打造。M3S MOSFET旨在實現(xiàn)導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之間的平衡，從而適用于PFC和其他硬開關(guān)應(yīng)用。