摘要

　　本文評(píng)測(cè)了主開關(guān)采用意法半導(dǎo)體新產(chǎn)品650V SiC mosFET的直流-直流升壓轉(zhuǎn)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(cè)試結(jié)果證明，新SiC碳化硅開關(guān)管提升了開關(guān)性能標(biāo)桿,，讓系統(tǒng)具更高的能效,，對(duì)市場上現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響較大。

　　前言

　　市場對(duì)開關(guān)速度,、功率,、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)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(dǎo)體器件因電,、熱、機(jī)械等各項(xiàng)性能表現(xiàn)俱佳而被業(yè)界看好,，被認(rèn)為是硅半導(dǎo)體器件的替代技術(shù)。在這些新材料中,，兼容硅技術(shù)制程的碳化硅(SiC)是最有前景的技術(shù),。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(yuǎn)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(yīng)用,。在600V電壓范圍內(nèi)，硅器件的性能非常好,，性價(jià)比高于碳化硅器件,。不過，應(yīng)用要求芯片有更高的性能,，而硅器件已經(jīng)達(dá)到了極限,。最近幾年,，人們更加關(guān)注環(huán)境、能效和污染問題,，導(dǎo)致電氣能效標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán),，這不只限于大功率應(yīng)用，還包括低負(fù)載應(yīng)用?，F(xiàn)在,，開關(guān)頻率可以更高，同時(shí)開關(guān)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(yīng)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(yōu)異特性,。

　　表1. 碳化硅與硅材料特性比較

　　更高的關(guān)鍵應(yīng)用準(zhǔn)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(dǎo)率比硅器件高出很多,，因此，功率損耗散熱導(dǎo)致的溫降在整個(gè)器件上都比較低,。因?yàn)樘蓟璧娜埸c(diǎn)溫度更高,，可以工作在400 °C范圍內(nèi)，這些特性讓人們更加看好碳化硅器件在開關(guān)速度,、損耗,、Rdson導(dǎo)通電阻、擊穿電壓方面的性能表現(xiàn),。事實(shí)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(duì)于600V電壓以下碳化硅產(chǎn)品,，以前市面上只有2吋或3吋碳化硅晶圓片,，而且生產(chǎn)設(shè)備非常昂貴，因此,，碳化硅器件的性價(jià)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(duì)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(xiàn)在市場上，具有令人感興趣的特性,，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)體開發(fā)出一個(gè)60兆歐姆 /650 SiC MOSFET產(chǎn)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(yōu)勢(shì)，我們將其與當(dāng)前最先進(jìn)的超結(jié)功率MOSFET對(duì)比,。表 2 列出了這兩種對(duì)比器件的電氣參數(shù),。為了使測(cè)試條件具有可比性，我們選擇兩款150°C時(shí)RDSon參數(shù)相似的硅器件和碳化硅器件,。

　　表2.

　　不難發(fā)現(xiàn),，Rdson參數(shù)對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)系數(shù)不同。如圖1所示,，碳化硅器件的Rdson基本上與溫度無關(guān),，最高結(jié)溫高于同級(jí)的硅器件，這準(zhǔn)許工作溫度更高,，而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加,。開關(guān)損耗也是如此，見圖2,。

　　圖1：歸一化Ron SiC MOSFET與硅MOSFET對(duì)比

　　圖2：SiC Eoff-溫度曲線

　　兩個(gè)器件的另一個(gè)重差別是驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)器件完全導(dǎo)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(zhuǎn)換器

　　我們?cè)谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器(圖3)內(nèi)對(duì)比分析650V SiC MOSFET與先進(jìn)的硅器件,，為了解650V SiC MOSFET的特性，我們用100 Khz和200KHz開關(guān)頻率進(jìn)行對(duì)比,。

　　圖3：升壓轉(zhuǎn)換器

　　測(cè)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(qū)動(dòng)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(duì)測(cè)試結(jié)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(fù)載條件下的能效,。如圖4(a)和(b)所示，在fsw=200KHz時(shí),碳化硅MOSFET的開關(guān)特性優(yōu)于硅器件(100 Khz開關(guān)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(guān)特性明顯優(yōu)于硅器件。

　　圖4(a)Eoff,，開關(guān)損耗

　　圖4(b)Eon,，開關(guān)損耗

　　圖5(a)滿負(fù)載時(shí)的能效

　　圖5(b)滿負(fù)載時(shí)的溫度

　　在100 Khz和200 KHz開關(guān)頻率時(shí),，兩個(gè)測(cè)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(dāng)高頻率開關(guān)時(shí),，碳化硅的優(yōu)勢(shì)比較突出,。

　　結(jié)論

　　新650V碳化硅MOSFET是面向高能效系統(tǒng)的最新產(chǎn)品。在硬開關(guān)應(yīng)用中,，這款產(chǎn)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(duì)于其固有參數(shù),，這款產(chǎn)品將能夠用于軟開關(guān)應(yīng)用，這是將來的研發(fā)目標(biāo),。