碳化硅 (SiC) MOSFET：為汽車電氣化的未來提供動(dòng)力

隨著人們更加注重可持續(xù)性發(fā)展的經(jīng)濟(jì)新模式，我們的居住方式、工作狀態(tài)以及使用車輛的通勤和休閑方式都在發(fā)生相應(yīng)的變化。尤其是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的變革，因?yàn)槲覀冃枰獪p少對化石燃料等不可再生資源的依賴，以減輕對環(huán)境的影，推動(dòng)了一系列能夠顯著提升效率并加快電氣化轉(zhuǎn)變的產(chǎn)品的問世。

功率半導(dǎo)體技術(shù)近年來快速進(jìn)步，配備了碳化硅(SiC)MOSFET的電動(dòng)汽車(EV)如今能夠行駛更遠(yuǎn)的距離，并能夠更快地充電，這使得電動(dòng)汽車在擁擠和人口密集的城市地區(qū)成為內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛的有效替代選擇。

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設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車子系統(tǒng)如牽引逆變器、車載充電器(OBC)和DC-DC轉(zhuǎn)換器的工程師現(xiàn)在有多種SiC電源產(chǎn)品可供選擇。市面上不乏供應(yīng)商提供的多樣SiC產(chǎn)品，不論是平面還是溝槽式的MOSFET，通常都采用垂直式設(shè)計(jì)，并提供不同的封裝和芯片尺寸選項(xiàng)。

Qorvo公司就采用了一種常開型的垂直FET，這種FET以Cascode結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，將常開JFET與硅低壓MOSFET串聯(lián)起來。這種設(shè)計(jì)不僅是為了實(shí)現(xiàn)高效的常關(guān)開關(guān)，它還擁有獨(dú)特的特性，使其在多種電路拓?fù)渲谐蔀樽顑?yōu)解決方案。

電動(dòng)汽車主要由逆變器、OBC、DC-DC轉(zhuǎn)換器、PTC(正熱系數(shù))加熱器和電動(dòng)壓縮機(jī)等模塊構(gòu)成。SiC的使用可以使這些組件更小、更輕、效率更高，從而延長車輛的續(xù)航里程。電動(dòng)汽車的普及不可或缺的是充電樁這一基礎(chǔ)設(shè)施，無論是工業(yè)充電站、快速直流充電器還是無線充電器，它們都需要具備高效率、低成本、易于熱管理的特點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)快速充電，并且具有具有競爭力的每千瓦時(shí)的能源成本。SiC元件在這些方面的表現(xiàn)再次卓越無比。最為重要的是，電動(dòng)汽車和充電器正從400V向800V演變，這不僅延長了續(xù)航里程，還使得電池充電時(shí)長與內(nèi)燃機(jī)汽車加油時(shí)長趨于一致。

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SiC MOSFET 技術(shù)的優(yōu)勢

正如我們提到的，Qorvo的垂直SiC FET采用的是Cascode架構(gòu)，這種設(shè)計(jì)就像是一種常斷式開關(guān)。這種結(jié)構(gòu)和它的兩種不同封裝實(shí)現(xiàn)方式——常開SiC JFET與硅MOSFET的并排或堆疊連接方式——都非常清晰直觀。Qorvo還提供了高壓非共源共柵常開型SiC JFET，電壓范圍為650V至1700V，導(dǎo)通電阻范圍為25mΩ至1000mΩ，這些都是為固態(tài)斷路器(SSCB)、繼電器和隔離開關(guān)等應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的。與傳統(tǒng)機(jī)電斷路器相比，SSCB具有超快的響應(yīng)時(shí)間(數(shù)微秒)，可以防止對敏感和重要部件的損壞，并確保乘客安全。這些設(shè)備可以設(shè)定在特定的電流水平下自動(dòng)跳閘。

SiC MOSFET提供650V、750V、1200V和1700V的電壓，部分型號符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)。對于給定的芯片尺寸或任何行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，Qorvo的SiC MOSFET都展現(xiàn)出了最低的行業(yè)導(dǎo)通電阻(即RDS(on)乘以芯片尺寸品質(zhì)因數(shù))，這是因?yàn)樗鼈儧]有溝道電阻率的影響，這一點(diǎn)在MOSFET中是無法做到的。SiC FET的溝道遷移率在300至600cm^2/(V·s)之間，而SiC MOSFET的溝道遷移率只有10至20cm^2/(V·s)。與額定值類似的MOSFET相比，這樣的特性能夠顯著減少傳導(dǎo)損失。

但是SiC MOSFET還有其他一些在功率轉(zhuǎn)換拓?fù)渲蟹浅ｊP(guān)鍵的特性：相比同等電壓等級和導(dǎo)通電阻的產(chǎn)品，它具有更低的寄生電容，這意味著快速切換能力、低輸出電容損耗和快速的零電壓切換(ZVS)電壓轉(zhuǎn)換。換言之，在瞬態(tài)模式下，SiC FET在RDS(on)和COSS品質(zhì)因數(shù)方面的表現(xiàn)也是優(yōu)異的。

此外，SiC MOSFET不含柵極氧化物，這意味著不存在柵極介電可靠性問題，它們與市面上現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)硅柵極驅(qū)動(dòng)器完全兼容。它們還具有超低的反向恢復(fù)電荷(QRR)，這對于無橋PFC(功率因數(shù)校正)拓?fù)鋪碚f是非常理想的。作為參考，Qorvo UJ4C075018K4S型號的QRR僅為102nC，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最優(yōu)秀的超結(jié)構(gòu)MOSFET。

在源極和漏極二極管的正向壓降方面，SiC MOSFET也展現(xiàn)出了最低值。在電源電路中的很多開關(guān)都會(huì)在死區(qū)時(shí)間的延時(shí)期間以反向模式傳導(dǎo)電流，這時(shí)SiC MOSFET在源極至漏極處的電流導(dǎo)通時(shí)，由于其較高的電壓壓降通常高于4V，因此本征二極管的壓降很高。但SiC FET沒有這種二極管，在Cascode的低壓MOSFET中，即便在反向?qū)ㄆ陂g，其壓降也明顯較低，大約是SiC MOSFET的三分之一。這一點(diǎn)特別值得注意，因?yàn)檩^低的VFSD可以減少死區(qū)時(shí)間的損耗，非常適合高頻軟開關(guān)應(yīng)用。

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在軟開關(guān)操作中，當(dāng)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)應(yīng)用ZVS時(shí)，開通損耗微乎其微，而導(dǎo)通損耗成為總損耗的關(guān)鍵組成部分。關(guān)斷仍然是硬開關(guān)，因此低關(guān)斷能量Eoff是可取的。此外，存儲(chǔ)在COSS中的能量被回收。所有這些條件為功率器件設(shè)定了一定的要求，這些要求都能被Qorvo SiC FETs滿足：

1、從 D 到 S 以及從 S 到 D 兩個(gè)電流方向的傳導(dǎo)損耗都很低

2、低關(guān)斷能量 Eoff

3、過渡模式 Coss(tr)?? 下的低輸出電容可在死區(qū)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速 ZVS，因此具有更高的工作頻率和更高的功率密度

4、低柵極電荷 Qg

5、最小熱阻

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系統(tǒng)成本的大幅降低在很大程度上依賴于可以通過高體積自動(dòng)組裝SMT(表面貼裝技術(shù))器件來降低的制造成本。一個(gè)例子是7引腳的D2PAK，由于其6.7毫米的爬電距離而能夠安裝650V到1700V范圍的FET，同時(shí)不影響熱性能。

降低成本的另一個(gè)因素是使用標(biāo)準(zhǔn)的門極驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器確保15V VGS下的全開通，并且不需要負(fù)門極驅(qū)動(dòng)就能有效關(guān)斷。最大±20V的門極電壓額定值與Si IGBT和Si MOSFET完全兼容。此外，具有集成鉗位二極管的LV MOSFET在ESD保護(hù)方面增加了額外的功能。

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Qorvo的芯片安裝技術(shù)基于銀燒結(jié)，與傳統(tǒng)焊接接頭相比，熱導(dǎo)率提高了六倍。圖3展示了JFET安裝到引線框架和低壓MOSFET安裝到JFET的芯片附著過程。得益于銀燒結(jié)芯片附著的卓越性能以及從厚銅引線框架的良好熱擴(kuò)散，可以實(shí)現(xiàn)非常優(yōu)秀的熱阻值。

對于額定值為750V/11 mW且Tjmax=175°C的G4 SiC FET，RQ(結(jié)-殼)為0.33 °K/W，優(yōu)于競爭對手部件的650V/15 mW MOSFET(0.35 °K/W)，后者的芯片尺寸大60%。

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Qorvo SiC FET基于獨(dú)特且有區(qū)別的JFET技術(shù)加上Cascode架構(gòu)，特別適用于需要低RDS(on)、低VFSD、低Eoff和低Coss(tr)的軟開關(guān)應(yīng)用。典型應(yīng)用包括HV DC/DC變換器和電動(dòng)車上的板載充電器的DC/DC階段。

超低QRR使得全橋無橋PFC的高效率成為可能，因此它們可以方便地用于板載充電器的AC-DC PFC階段。任何封裝選項(xiàng)的最低導(dǎo)通電阻也是一項(xiàng)利于低頻應(yīng)用(如PTC加熱模塊)的良好特性。最后，AEC級別的SMT封裝選項(xiàng)具有低熱阻RQ(結(jié)-殼)和高爬電能力，使得設(shè)計(jì)和制造更加容易。