碳化硅如何能夠提升開關(guān)電源設(shè)計(jì)

談起電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，諸如碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBG）技術(shù)是當(dāng)今進(jìn)行器件選擇時(shí)的現(xiàn)實(shí)考慮。650V SiC MOSFET的推出使它們對(duì)于某些以前從沒有考慮過的應(yīng)用更具吸引力，這些器件在高效硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出非常好的耐用性，因而是實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)電源解決方案功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用的理想選擇。而且，由于它們還支持更高的開關(guān)頻率，因此可以選擇較小的磁性元件，從而縮小了許多設(shè)計(jì)的體積。

沒有免費(fèi)午餐

盡管寬禁帶器件有很多好處，但僅僅通過用SiC MOSFET替換硅基器件留下的空間并不能實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)。工程師需要花一些時(shí)間來了解寬禁帶器件的特性，以充分利用新器件帶來的全部益處，同時(shí)還要了解他們各自的局限性和失效模式。CoolSiC器件中體二極管的正向電壓比硅MOSFET高四倍，因此LLC轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下效率可能下降0.5％。通過利用溝道進(jìn)行升壓，而不是通過體二極管，還可以實(shí)現(xiàn)PFC拓?fù)浼軜?gòu)的高效率。

工作溫度范圍內(nèi)導(dǎo)通電阻與硅相當(dāng)

一個(gè)關(guān)鍵的比較參數(shù)是導(dǎo)通電阻RDS（on）。硅MOSFET表面的參數(shù)看起來比SiC更好，但由于其較低的倍增系數(shù)（κ），在100℃時(shí)，一個(gè)84mΩ的CoolSiC器件與57mΩ的CoolMOS器件具有相同的RDS（on）（見圖1）。與硅MOSFET相比，CoolSiC還具有更高的擊穿電壓V（BR）DSS，使其在需要低溫環(huán)境下啟動(dòng)的應(yīng)用中非常有益。

圖1：CoolSiC器件溫度對(duì)RDS（on）的影響比CoolMOS小，因此在典型工作溫度范圍內(nèi)導(dǎo)通電阻變化不大。

EiceDRIVER系列仍然是CoolSiC MOSFET的理想?yún)f(xié)同器件。但是，為了獲得數(shù)據(jù)表中定義的較低RDS（on），需要18V的柵極電壓（VGS），而不是硅MOSFET的典型12V。如果選擇新的柵極驅(qū)動(dòng)器，則需要選擇一個(gè)具有13V欠壓鎖定功能的驅(qū)動(dòng)器，以確保目標(biāo)應(yīng)用在異常條件下安全運(yùn)行。SiC的另一個(gè)好處是，在25～150℃之間溫度對(duì)傳輸特性的影響有限（見圖2）。

圖2：在25℃（左）和150℃（右）時(shí)的傳輸特性表明，SiC器件受到的影響比硅MOSFET低很多。

避免柵極負(fù)電壓

柵極負(fù)電壓會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET長(zhǎng)期退化，從而導(dǎo)致潛在故障。因此，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)絕對(duì)保證VGS不會(huì)在低于-2V以下運(yùn)行超過15ns。如果發(fā)生這種情況，柵極閾值電壓（VGS（th））的漂移可能會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)應(yīng)用壽命期間RDS（on）增大，最終這會(huì)導(dǎo)致來之不易的系統(tǒng)效率下降，在許多情況下正是由于高效率才會(huì)選擇SiC。

對(duì)于硅MOSFET，通常需要使用一個(gè)高值電阻以避免出現(xiàn)負(fù)VGS，從而減慢di/dt和dv/dt。但是，對(duì)于SiC器件，首選方法則是在柵極和源極之間插入一個(gè)二極管電壓鉗位。如果負(fù)電壓純粹是一個(gè)電感問題，則強(qiáng)烈建議選擇帶有開爾文源（Kelvin source）的CoolSiC器件，這可能導(dǎo)致EON損耗比沒有它的器件低三倍（見圖3）。

圖3：為避免SiC MOSFET的柵極電壓為負(fù)，應(yīng)考慮采用二極管鉗位、獨(dú)立的公共端和開爾文源。

實(shí)現(xiàn)高于99％的效率

CoolSiC MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在漏-源極電壓VDS高于50V時(shí)，它們具有更高的輸出電容COSS，這樣可以降低過沖水平，而無需采用柵極電阻。SiC技術(shù)的QOSS特性還有利于采用硬開關(guān)和諧振開關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)，原因是所需的放電更少，這會(huì)影響連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）圖騰柱PFC中的Eon損耗。采用48mΩ器件，對(duì)于3.3kW CCM圖騰柱PFC而言，效率可以達(dá)到99％以上（見圖4），在雙升壓（Dual Boost）PFC設(shè)計(jì)中使用CoolMOS可能獲得的最高效率峰值為98.85％。而且，盡管SiC MOSFET的成本較高，但基于SiC的設(shè)計(jì)總體上更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。

圖4：即便107mΩ的CoolSiC CCM圖騰柱PFC其效率也接近99％，大多都超過了最佳CoolMOS雙升壓PFC方式。

結(jié)論

SiC MOSFET與同等硅器件相比具有一系列優(yōu)勢(shì)，再加上其在硬開關(guān)應(yīng)用中的耐用性，使其在大多數(shù)高效功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中值得考慮。650V CoolSiC系列的推出使SiC MOSFET技術(shù)對(duì)于那些需要將功率轉(zhuǎn)換效率推向極限的應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)可行。

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