【導(dǎo)讀】碳化硅（SiC）MOSFET在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中正在迅速普及，因?yàn)橐恍┳畛醯目煽啃詥?wèn)題已經(jīng)解決，并且價(jià)格水平已經(jīng)達(dá)到了非常有吸引力的點(diǎn)。隨著市場(chǎng)上的器件越來(lái)越多，了解SiC MOSFET的特性非常重要，這樣用戶才能充分利用每個(gè)器件。本文將為您介紹SiC MOSFET的發(fā)展趨勢(shì)，以及由安森美（onsemi）所推出的1200V SiC MOSFET功率模塊的產(chǎn)品特性。
碳化硅（SiC）MOSFET在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中正在迅速普及，因?yàn)橐恍┳畛醯目煽啃詥?wèn)題已經(jīng)解決，并且價(jià)格水平已經(jīng)達(dá)到了非常有吸引力的點(diǎn)。隨著市場(chǎng)上的器件越來(lái)越多，了解SiC MOSFET的特性非常重要，這樣用戶才能充分利用每個(gè)器件。本文將為您介紹SiC MOSFET的發(fā)展趨勢(shì)，以及由安森美（onsemi）所推出的1200V SiC MOSFET功率模塊的產(chǎn)品特性。
SiC是高壓大電流電源應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)WBG半導(dǎo)體材料
SiC是用于制造分立功率半導(dǎo)體的寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體材料系列的一部分，傳統(tǒng)硅（Si）MOSFET的帶隙能量為1.12 eV，而SiC MOSFET的帶隙能量則為3.26 eV。SiC和氮化鎵（GaN）具有更寬的帶隙能量，意味著將電子從其價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶需要大約3倍的能量，從而使材料的行為更像絕緣體而不像導(dǎo)體。這使得WBG半導(dǎo)體能夠承受更高的擊穿電壓，其擊穿場(chǎng)穩(wěn)健性是硅的10倍。
對(duì)于給定的額定電壓，較高的擊穿場(chǎng)可以減小器件的厚度，從而轉(zhuǎn)化為較低的導(dǎo)通電阻和較高的電流能力。SiC和GaN都具有與硅相同數(shù)量級(jí)的遷移率參數(shù)，這使得這兩種材料都非常適合高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用。SiC的熱導(dǎo)率是硅和GaN的三倍，對(duì)于給定的功耗，較高的熱導(dǎo)率將轉(zhuǎn)化為較低的溫升。
特定所需擊穿電壓的RDS(ON)是MOSFET特性的重要部分，它與遷移率乘以臨界擊穿場(chǎng)的立方成反比。即使SiC的遷移率低于硅，但其臨界擊穿場(chǎng)高10倍，導(dǎo)致給定擊穿電壓的RDS(ON)要低得多。商用SiC MOSFET的保證最高工作溫度為150℃< TJ < 200℃，相比之下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)600℃的SiC結(jié)溫，但其主要受鍵合和封裝技術(shù)的限制，這使得SiC成為用于高壓、高速、大電流、高溫、開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)WBG半導(dǎo)體材料。
SiC MOSFET通常在650 V < BVDSS < 1.7 kV范圍內(nèi)可用，盡管SiC MOSFET的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)行為與標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET非常相似，但必須考慮其器件特性決定的獨(dú)特柵極驅(qū)動(dòng)要求。
SiC在快速直流充電應(yīng)用極具優(yōu)勢(shì)
以快速直流（DCFC）電動(dòng)汽車（EV）充電應(yīng)用為例，目前市場(chǎng)上對(duì)更短充電時(shí)間的需求，導(dǎo)致需要接近400 kW的更高功率電動(dòng)汽車快速充電。這種應(yīng)用需要采用有源整流三相PFC升壓拓?fù)渑c三相功率因數(shù)校正（PFC）系統(tǒng)，它也可稱為有源整流或有源前端系統(tǒng)，近年來(lái)的需求急劇增加。
三相功率因數(shù)校正（PFC）拓?fù)涫怯行У貫榭焖僦绷鞒潆姽╇姷年P(guān)鍵，通過(guò)將SiC功率半導(dǎo)體集成到三相PFC拓?fù)渲校梢越鉀Q降低功率損耗和提高功率密度這種通常相互矛盾的挑戰(zhàn)。前端三相PFC升壓級(jí)可以在多個(gè)拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)，并且多個(gè)拓?fù)淇梢詽M足相同的電氣要求。
另一個(gè)影響功率器件設(shè)計(jì)和額定電壓的重要因素是架構(gòu)中的電平數(shù)量。6開(kāi)關(guān)拓?fù)涫?級(jí)架構(gòu)，通常使用900 V或1200 V開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)快速直流電動(dòng)汽車充電器。此時(shí)具有低RDS(ON)（6 ? 40 m）的SiC MOSFET模塊適用于每塊15 kW以上的更高功率范圍。這種集成解決方案比分立解決方案表現(xiàn)出卓越的功率性能，提高了效率，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減小了整體系統(tǒng)尺寸并最大限度地提高了可靠性。
從15 kW開(kāi)始，采用SiC模塊的DC-DC功率轉(zhuǎn)換級(jí)中，全橋是非常合適且常見(jiàn)的解決方案，啟用的更高頻率有助于縮小變壓器和電感器的尺寸，從而縮小完整解決方案的外形尺寸。
支持1200 V額定電壓的SiC MOSFET
安森美的M1 SiC MOSFET的額定電壓為1200 V，具有每個(gè)特定器件的數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大零柵極電壓漏極電流（IDSS）。然而，SiC MOSFET的阻斷電壓能力會(huì)隨著溫度的升高而降低。以1200 V 20 m SiC MOSFET功率模塊為例，與25℃時(shí)的值相比，-40℃時(shí)阻斷電壓（VDS）的典型降額約為11%。通常安森美的器件通常有一些余量，尤其是在器件將在極低溫度下運(yùn)行時(shí)，在設(shè)計(jì)期間也應(yīng)考慮VDS的降額。
與硅相關(guān)產(chǎn)品相比，SiC MOSFET的主要區(qū)別之一是漏源電壓（VDS）與特定漏電流（ID）的柵源電壓（VGS）的相關(guān)性，并且在這個(gè)安森美的1200 V SiC MOSFET中也不例外。傳統(tǒng)的Si MOSFET在線性（歐姆）和有源區(qū)（飽和）之間顯示出明顯的過(guò)渡。另一方面，SiC MOSFET并不會(huì)出現(xiàn)這種狀況，實(shí)際上沒(méi)有飽和區(qū)，這意味著SiC MOSFET的行為更像是可變電阻，而不是非理想型的電流源。
選擇合適的VGS時(shí)要考慮的一個(gè)重要方面是，與硅相較，即使在相對(duì)較高的電壓下，當(dāng)VGS增加時(shí)，SiC MOSFET將繼續(xù)顯示RDS(ON)的顯著改善，因此大多數(shù)Si MOSFET通常以VGS ≤ 10 V驅(qū)動(dòng)。如果用SiC替換Si MOSFET，建議修改驅(qū)動(dòng)電壓，盡管10 V高于SiC MOSFET的典型閾值電壓，但在如此低的VGS下的傳導(dǎo)損耗，很可能會(huì)導(dǎo)致器件的熱失控，因此建議使用VGS ≥ 18 V來(lái)驅(qū)動(dòng)安森美的1200 V M1 SiC MOSFET。
具備低熱阻特性的SiC MOSFET功率模塊
安森美推出的NXH020F120MNF1是一款M1 SiC MOSFET功率模塊，在F1模塊中包含一個(gè)20 mohm/1200V SiC MOSFET全橋和一個(gè)NTC熱敏電阻。NXH020F120MNF1推薦的柵極電壓為18V - 20V，采用4-PACK全橋拓?fù)洌邆涞蜔嶙杼匦裕瑤в蓄A(yù)涂熱界面材料（TIM）或不帶預(yù)涂TIM的選項(xiàng)，支持Press-Fit引腳，并是無(wú)鉛、無(wú)鹵化物的器件，且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。
NXH020F120MNF1可在更高電壓下改進(jìn)RDS(ON)，可提高效率或具有更高的功率密度，是高可靠性熱界面的靈活解決方案，可廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能逆變器、不間斷電源、電動(dòng)汽車充電站、工業(yè)電源，進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換、DC-AC轉(zhuǎn)換、DC-DC轉(zhuǎn)換，常見(jiàn)的最終產(chǎn)品包括電動(dòng)車充電器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、三相太陽(yáng)能逆變器、不間斷電源供應(yīng)器等。
結(jié)語(yǔ)
目前有越來(lái)越多電源應(yīng)用朝向更高功率發(fā)展，尤其是電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速充電應(yīng)用，需要節(jié)省寶貴的充電時(shí)間并提升充電的效率。SiC MOSFET是快速充電應(yīng)用的理想解決方案，安森美的1200V SiC MOSFET功率模塊將能提供更高的充電效率與更高的功率密度，將會(huì)是相關(guān)高壓、大電流應(yīng)用的理想選擇。
(來(lái)源：中電網(wǎng)）
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