摘要

本文評測了主開關采用意法半導體新產品650V SiC MOSFET的直流-直流升壓轉換器的電熱特性，并將SiC碳化硅器件與新一代硅器件做了全面的比較。測試結果證明，新SiC碳化硅開關管提升了開關性能標桿，讓系統具更高的能效，對市場上現有系統設計影響較大。

前言

市場對開關速度、功率、機械應力和熱應力耐受度的要求日益提高，而硅器件理論上正在接近性能上限。

寬帶隙半導體器件因電、熱、機械等各項性能表現俱佳而被業界看好，被認為是硅半導體器件的替代技術。在這些新材料中，兼容硅技術制程的碳化硅(SiC)是最有前景的技術。碳化硅材料的電氣特性使其適用于研制高擊穿電壓器件，但是，遠高于普通硅器件的制造成本限制了其在中低壓器件中的推廣應用。在600V電壓范圍內，硅器件的性能非常好，性價比高于碳化硅器件。不過，應用要求芯片有更高的性能，而硅器件已經達到了極限。最近幾年，人們更加關注環境、能效和污染問題，導致電氣能效標準趨嚴，這不只限于大功率應用，還包括低負載應用。現在，開關頻率可以更高，同時開關損耗可以降至更低，本文介紹的650V碳化硅晶體管特別適合這種應用場景。

第一章

表1是4H SiC碳化硅器件與硅器件的特性比較表。如表1所示，碳化硅的寬帶隙使電力電子器件具有很多優異特性。

表1. 碳化硅與硅材料特性比較

更高的關鍵應用準許使用摻雜程度更高的超薄裸片，使其損耗比其它芯片低很多。碳化硅熱導率比硅器件高出很多，因此，功率損耗散熱導致的溫降在整個器件上都比較低。因為碳化硅的熔點溫度更高，可以工作在400 °C范圍內，這些特性讓人們更加看好碳化硅器件在開關速度、損耗、Rdson導通電阻、擊穿電壓方面的性能表現。事實上，擊穿電壓高于1200V的碳化硅器件深受市場歡迎。是否選擇超高擊穿電壓的碳化硅器件，不僅要考慮電氣特性，還要考慮碳化硅的制造成本高于硅器件。對于600V電壓以下碳化硅產品，以前市面上只有2吋或3吋碳化硅晶圓片，而且生產設備非常昂貴，因此，碳化硅器件的性價比不如硅器件。今天，4吋和6吋碳化硅晶圓片非常常見，市場對碳化硅器件需求增長可以讓廠商降低制造成本。600V SiC MOSFET開始出現在市場上，具有令人感興趣的特性，適用于各種應用領域。

新器件: 650V SiC MOSFET

如前文介紹，硅功率MOSFET器件的性能正在接近極限。意法半導體開發出一個60兆歐姆 /650 SiC MOSFET產品原型，克服了600V功率MOSFET的性能極限。為證明這款650V SiC MOSFET的優勢，我們將其與當前最先進的超結功率MOSFET對比。表 2 列出了這兩種對比器件的電氣參數。為了使測試條件具有可比性，我們選擇兩款150°C時RDSon參數相似的硅器件和碳化硅器件。

表2

不難發現，Rdson參數對應的熱導系數不同。如圖1所示，碳化硅器件的Rdson基本上與溫度無關，最高結溫高于同級的硅器件，這準許工作溫度更高，而不會導致損耗增加。開關損耗也是如此，見圖2。

圖1：歸一化Ron SiC MOSFET與硅MOSFET對比        

圖2：SiC Eoff-溫度曲線

兩個器件的另一個重差別是驅動這兩個器件完全導通需要不同的柵電壓，硅MOSFET是10V，碳化硅MOSFET是20V。

案例研究: 升壓轉換器

我們在一個標準升壓轉換器（圖3）內對比分析650V SiC MOSFET與先進的硅器件，為了解650V SiC MOSFET的特性，我們用100 Khz和200KHz開關頻率進行對比。  

圖3：升壓轉換器

測試條件如下:

VIN=160V，VOUT=400V，POUTmax=1600W，占空比=60%，升壓二極管 = 碳化硅STPSC2006。柵驅動條件:

?硅MOSFET: VGS=0/10V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω

?碳化硅MOSFET: VGS=0/20V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω

為降低外部因素對測試結果的影響，我們選用了封裝(TO247)相同的硅MOSFET和碳化硅MOSFET，安裝相同的空氣冷卻式散熱器，記錄并比較在各種負載條件下的能效。如圖4(a)和(b)所示，在fsw=200KHz時,碳化硅MOSFET的開關特性優于硅器件(100 Khz開關頻率也是如此)，從圖5 (a)和(b)的能效和熱曲線不難看出，碳化硅MOSFET的開關特性明顯優于硅器件。

圖4(a)Eoff，開關損耗

圖4(b)Eon，開關損耗

圖5(a)滿負載時的能效      

圖5(b)滿負載時的溫度  

在100 Khz和200 KHz開關頻率時，兩個測試顯示，碳化硅MOSFET能效更高，封裝溫度更低。從圖中不難看出，當高頻率開關時，碳化硅的優勢比較突出。

結論

新650V碳化硅MOSFET是面向高能效系統的最新產品。在硬開關應用中，這款產品能夠提高能效，采用新的熱管理方法，提高了功率/立方厘米比。對于其固有參數，這款產品將能夠用于軟開關應用，這是將來的研發目標。

參考文獻

[1] A. Elasser, M. H.  Kheraluwala, M. Ghezzo, R. L. Steigerwald, N. A. Evers, J. Kretchmer, T. P. Chow  “A Comparative Evaluation of new Silicon Carbide Diodes and State-of-the-Art Silicon Diodes for Power Electronic Applications, ” in  IEEE Transactions on Industry Apllications, vol. 39, no. 4, pp. 915-9215, July/August 2003.  

[2] Callaway J. Cass, Yi Wang, R. Burgos, T. Paul Chow, F. Wang and D. Boroyevich,  “Evaluation of SiC JFETs for a Three-Phase Current-Source Rectifier with High Switching Frequency,” in APEC 2007 Applied Power Electronics Conference, 2007, pp. 345-351.  

[3] F. Qi, L.Fu, L. Xu, P. Jing, G. Zhao, J. Wang “Si and SiC Power MOSFET Characterization and Comparison, ” in  Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2014 IEEE Conference and Expo,  pp. 1-6, 2014.