性能是一個(gè)主觀術(shù)語 - 它可以以任意多種方式進(jìn)行衡量，但在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，它歸結(jié)為兩個(gè)相互依賴的主要值，效率和成本。眾所周知，硅作為半導(dǎo)體開關(guān)材料在傳導(dǎo)和動(dòng)態(tài)損耗性能方面都達(dá)到了極限，因此越來越多地考慮碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術(shù)以獲得更好的性能。這些材料更好的介電擊穿特性允許更薄、更高的摻雜阻隔層和更低的導(dǎo)通電阻，而較小的芯片尺寸也降低了器件電容，降低了動(dòng)態(tài)損耗。與硅相比，損耗較低，但在實(shí)踐中，寬帶隙器件的某些方面更差——SiC MOSFET 和 GaN HEMT 晶體管通常需要嚴(yán)格控制的柵極驅(qū)動(dòng)條件才能獲得最佳性能。與硅開關(guān)相比，還存在一系列困難的差異，例如SiC MOSFET柵極閾值的可變性和遲滯以及GaN中缺乏雪崩額定值。

碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管更接近理想開關(guān)

接近理想、實(shí)用的開關(guān)并不一定是一個(gè)巨大的飛躍——如果將簡(jiǎn)單的垂直溝槽 SiC JFET 與硅 MOSFET 結(jié)合使用，您將獲得更低的歸一化總損耗、簡(jiǎn)單、非關(guān)鍵的柵極驅(qū)動(dòng)以及具有高雪崩和短路額定值的堅(jiān)固部件。該器件為碳化硅FET級(jí)聯(lián)碼，如圖1（右）所示，左圖為碳化硅MOSFET。SiC MOSFET中的溝道電阻R溝道被SiC FET中的低壓Si MOSFET的電阻所取代，后者具有更好的反轉(zhuǎn)層電子遷移率，因此損耗更低。SiC FET 具有較小的相對(duì)芯片面積，尤其是將共封裝的 Si MOSFET 堆疊在頂部時(shí)。

圖 1：碳化硅 MOSFET（左）和碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管（右）架構(gòu)比較

比較現(xiàn)實(shí)生活中的性能最好使用“品質(zhì)因數(shù)”（FoM），該品質(zhì)因數(shù)結(jié)合了給定芯片尺寸的不同應(yīng)用中傳導(dǎo)和開關(guān)損耗的貢獻(xiàn)，這對(duì)于每個(gè)晶圓的良率以及成本非常重要。圖 2 顯示了一個(gè)選擇，將可用的 650V 碳化硅 MOSFET 與 UnitedSiC 的 750V 第四代碳化硅 FET 進(jìn)行了比較。RDS（ON）xA或每單位面積的導(dǎo)通電阻是一個(gè)關(guān)鍵的FoM，對(duì)于給定的損耗性能，較低的值表示芯片面積較小，每晶圓的良率越高。另一個(gè)FoM，RDS（ON）氙氣開放源碼軟件，，或?qū)娮韬洼敵鲩_關(guān)能量的乘積，表征了導(dǎo)通和開關(guān)損耗之間的權(quán)衡，這在硬開關(guān)應(yīng)用中很重要。福姆·DS（ON）xCOSS （tr），導(dǎo)通電阻與時(shí)間相關(guān)輸出電容表示高頻軟開關(guān)電路中的相對(duì)效率性能。一個(gè)重要的比較是積分二極管的正向壓降。在碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管中，VF是硅MOSFET體二極管壓降加上第三象限中的JFET電阻壓降之和，其總和約為1至1.5V。對(duì)于SiC MOSFET，該參數(shù)值可能超過4V，在電流通過集成二極管換向的應(yīng)用中，在開關(guān)死區(qū)時(shí)間內(nèi)會(huì)導(dǎo)致顯著的傳導(dǎo)損耗。圖中與導(dǎo)通電阻相關(guān)的FoM在25°C和125°C下顯示，表明SiC FET在實(shí)際條件下具有出色的性能。

圖 2：碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管和碳化硅 MOSFET 之間的 FoM 比較

3.6kW 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖騰柱 PFC 級(jí)演示器峰值效率為 99.3%

也許SiC FET性能的最佳演示是在典型應(yīng)用中 - 圖騰柱PFC級(jí)。長(zhǎng)期以來，該電路一直被認(rèn)為是交流線路整流和功率因數(shù)校正相結(jié)合的潛在高效解決方案，但它在高功率下很難開關(guān)，硅MOSFET技術(shù)會(huì)產(chǎn)生不可接受的動(dòng)態(tài)損耗。SiC FET 解決了這個(gè)問題，UnitedSiC 的 3.6kW 演示器在 99VAC 時(shí)顯示出 3.230% 的峰值效率，有助于更輕松地實(shí)現(xiàn) 80+ 鈦系統(tǒng)效率等級(jí)（圖 3）。電路“快速”支路的兩個(gè)8毫歐碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管中的每一個(gè)僅耗散18W，硅MOSFET用作“慢”支路的同步交流線路整流器。這些可以用硅二極管代替，以獲得低成本的解決方案，仍然可以實(shí)現(xiàn)99%+的效率。該圖還顯示了并聯(lián) 60 毫歐 SiC FET 或每個(gè)快速支腿開關(guān)的單個(gè) 18 毫歐 SiC FET 所獲得的結(jié)果。

圖 3：使用 SiC FET 在 3.6kW TPPFC 級(jí)中實(shí)現(xiàn)的效率

仿真工具使碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的選擇變得容易

使用UnitedSiC“FET-Jet”計(jì)算器可以輕松選擇最佳SiC FET器件以獲得最佳性能。這是一個(gè)免費(fèi)使用的基于 Web 的工具，允許用戶從一系列整流器、逆變器或隔離和非隔離 DC/DC 拓?fù)渲羞x擇他們提出的設(shè)計(jì)。然后輸入工作規(guī)格，并從 SiC FET 和二極管的 UnitedSiC 系列中選擇器件。該工具可立即計(jì)算效率、元件損耗及其導(dǎo)通和開關(guān)貢獻(xiàn)之間的分配、結(jié)溫上升等。支持并聯(lián)器件的效果，并可指定實(shí)際散熱片性能。

仿真結(jié)果和實(shí)際示例表明，SiC FET可以顯著提升功率轉(zhuǎn)換器的性能。我首先說成本也是一個(gè)因素，當(dāng)考慮系統(tǒng)效應(yīng)時(shí)，SiC FET在這里也得分，更高的效率和更快的開關(guān)減少了散熱器和磁性元件的尺寸和成本，從而降低了系統(tǒng)和擁有成本的總體平衡。

審核編輯：郭婷