UnitedSiC工程副總裁Anup Bhalla

完美的半導(dǎo)體開關(guān)永遠(yuǎn)近在咫尺又遙不可及，但是人們?nèi)栽诓粩嗯ψ穼?，以期在電?dòng)車等重要應(yīng)用中獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率。本文探討了SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)是如何提供最佳性能和一系列其他好處的。

如果只能減少幾美分的電費(fèi)或者對(duì)全球CO2排放貢獻(xiàn)不大，那么人們很難響應(yīng)電子器件的節(jié)能號(hào)召，但是如果電動(dòng)車的效率能提高，那么效果就顯而易見了，會(huì)有更長的單次充電行駛里程、更輕的重量和更低的行駛成本。現(xiàn)在，車輛電池和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步十分明顯，甚至使得部分國家/地區(qū)準(zhǔn)備限制內(nèi)燃機(jī)車輛的銷售，而大部分最新的車輛技術(shù)研發(fā)都集中在電動(dòng)車及其傳動(dòng)系統(tǒng)上。

尋找完美開關(guān)

電動(dòng)車中裝滿了需要?jiǎng)恿Φ?a target="_blank">電子器件，從牽引逆變器到車載充電器和輔助電源，比比皆是。無論哪種，要實(shí)現(xiàn)高效，都需要使用開關(guān)模式技術(shù)生成電壓軌，而這需要半導(dǎo)體在高頻下運(yùn)行。該應(yīng)用的理想開關(guān)應(yīng)該在打開時(shí)電阻接近于零，在關(guān)閉時(shí)沒有漏電，且擊穿電壓高（圖1）。當(dāng)開關(guān)處于兩種狀態(tài)之間的過渡期時(shí)，不應(yīng)有瞬態(tài)功耗，且任何殘余損耗導(dǎo)致的開關(guān)溫度上升都應(yīng)該非常小。經(jīng)過多年發(fā)展，推出的半導(dǎo)體技術(shù)比以往任何時(shí)候都靠近理想狀態(tài)，但是人們的期望也有了變化，對(duì)理想開關(guān)的尋找仍在繼續(xù)。

圖1：理想開關(guān)

理想開關(guān)的候選者

今天的開關(guān)選擇多種多樣，IGBT因低導(dǎo)電損耗而受到極大功率應(yīng)用的青睞，MOSFET則憑借能盡量減小相關(guān)組件（尤其是磁性元件）體積和成本的快速開關(guān)能力占領(lǐng)了大部分中低功率應(yīng)用。傳統(tǒng)MOSFET采用硅技術(shù)，但是現(xiàn)在，碳化硅（SiC）也因其特有的低動(dòng)態(tài)損耗、低導(dǎo)電損耗和高溫下運(yùn)行優(yōu)勢而受到青睞。它向著難以企及的理想開關(guān)又邁進(jìn)了一步，但是還有另一個(gè)更好的方法，那就是將SiC JFET與低壓硅MOSFET以共源共柵結(jié)構(gòu)一同封裝，從而獲得所謂的“SiC FET”。簡言之，Si-MOSFET提供簡單的非臨界柵極驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將常開JFET轉(zhuǎn)變成常關(guān)共源共柵，并附帶一系列勝過硅或SiC MOSFET的優(yōu)勢。圖2顯示的是SiC FET中的IGBT、平面SiC MOSFET和JFET的基本構(gòu)造，均為1200V等級(jí)。

圖2：IGBT、SiC MOSFET和SiC JFET構(gòu)造

從圖2中可以清楚地看出，在MOSFET或JFET中，SiC的較高臨界擊穿電壓大幅減薄了漂移層，使其約為IGBT中硅漂移層厚度的十分之一，相應(yīng)電阻也會(huì)較低。硅IGBT通過在較厚的漂移層中注入大量載流子來降低電阻，而這會(huì)導(dǎo)致100倍的存儲(chǔ)電荷，在每個(gè)開關(guān)周期，這些電荷都必須出入漂移層。這會(huì)帶來相對(duì)較高的開關(guān)損耗和不低的柵極驅(qū)動(dòng)功率要求。SiC MOSFET和JFET是單極器件，電荷僅進(jìn)出器件電容，因而動(dòng)態(tài)損耗要低得多。

現(xiàn)在，將SiC FET與SiC MOSFET比較。SiC FET溝道中的電子遷移率要好得多，因而在相同電阻下，晶?？梢孕〉枚?，所以它的電容較低，開關(guān)更快，或者在相同晶粒面積A下，導(dǎo)通電阻RDS（ON）較低。因此，性能表征RDS（ON）.A是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，表明了在給定性能下每個(gè)晶圓是否可能得到更多晶粒，以及隨之而來的成本節(jié)省，或表明給定晶粒面積下的導(dǎo)電損耗是否能降低。同理，性能表征RDS（ON）.COSS可量化導(dǎo)通電阻和輸出電容之間的相互作用，該值進(jìn)行了折衷以實(shí)現(xiàn)給定額定電壓，從而增減開關(guān)損耗。

在保持其他要素不變的情況下，讓每個(gè)晶圓產(chǎn)生更多晶粒同時(shí)提高開關(guān)速度這種兩全其美的好事也有一點(diǎn)不利之處，那就是散熱的面積變小了。碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)比硅好3倍，這對(duì)散熱有利，而且碳化硅還能在更高的平均溫度和峰值溫度下運(yùn)行。為了獲得這些優(yōu)勢，最新一代SiC FET（第四代）采用晶圓減薄法降低了電阻和熱阻，并采用銀燒結(jié)晶粒粘接法獲得了比焊料好6倍的導(dǎo)熱系數(shù)，最終效果是提升了可靠性，因?yàn)榻Y(jié)溫低且距離最大絕對(duì)值有很大的裕度。

與SiC MOSFET相比，SiC FET有很多優(yōu)勢，具體優(yōu)勢因應(yīng)用而異，但是可以用重要性能表征和特征的雷達(dá)圖來總結(jié)（圖3）。

圖3：SiC FET在不同應(yīng)用中的優(yōu)勢雷達(dá)圖

已將多個(gè)圖歸一化到UnitedSiC GEN 4 SiC FET的特征中，表明無論高溫還是低溫，它在所有方面都有不凡的性能。

實(shí)際結(jié)果證實(shí)了SiC FET的前景

UnitedSiC已經(jīng)用圖騰柱PFC級(jí)設(shè)計(jì)證實(shí)了SiC FET的有效性，該設(shè)計(jì)可在連續(xù)導(dǎo)電模式下工作并采用“硬”開關(guān)，這是典型的電動(dòng)車車載充電器前端設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換器額定功率為3.6kW，輸入85-264V交流電，輸出390V直流電，在TO-247-4L封裝中安裝了18或60毫歐第四代SiC FET，開關(guān)頻率為60kHz。圖4顯示的是系統(tǒng)效率圖，從圖中可以看出，在將一個(gè)18毫歐SiC FET用于高頻高低兩側(cè)開關(guān)位置時(shí)，在230V交流電下，效率達(dá)到峰值99.37%。在最高的3.6kW輸出下，這些SiC FET一共耗散16W能量，無效能量僅占0.44%，因而需要散出的熱量極少。

圖4：采用SiC FET的圖騰柱PFC級(jí)的能效達(dá)到99.37%

在電動(dòng)車中還有一個(gè)具備隔離功能的降頻級(jí)，可將牽引電池電壓降至12V，它通常與LLC轉(zhuǎn)換器一同實(shí)施，后者是目前實(shí)現(xiàn)高能效時(shí)的首選拓?fù)?。LLC轉(zhuǎn)換器在高頻下通過共振方式開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)最高性能，而SiC FET再次成為一個(gè)好選擇。在3.6kW下，以500kHz頻率開關(guān)時(shí)，一對(duì)第四代750V 18毫歐MOSFET耗散的功率還不到每個(gè)6.5W，其中包括導(dǎo)電損耗、開關(guān)損耗和體二極管損耗。

牽引逆變器是節(jié)能的重點(diǎn)部件，而SiC FET可以取代IGBT以切實(shí)提高能效。開關(guān)頻率維持在低水平，通常為8kHz，即使采用SiC器件也是如此，因?yàn)榇判栽前l(fā)動(dòng)機(jī)，它的體積不會(huì)隨著逆變器頻率提高而直接縮小。要實(shí)現(xiàn)顯著改進(jìn)，可以替換一個(gè)IGBT及其并聯(lián)二極管，例如可以用六個(gè)并聯(lián)的6毫歐SiC FET來替代，這種方法可以在200kW輸出電壓下將半導(dǎo)體效率提升1.6%，使其達(dá)到99.36%，這表示功率損耗降低了三分之一以上，也就是3kW。在更高負(fù)載下，也就是車輛行駛時(shí)通常會(huì)達(dá)到的負(fù)載下，它的表現(xiàn)會(huì)更好，損耗甚至?xí)抵罥GBT技術(shù)的五分之一到六分之一。所有這些同時(shí)還伴隨著低得多的柵極驅(qū)動(dòng)功率和無“拐點(diǎn)”電壓的優(yōu)勢，因而在輕負(fù)載下更好控制。過程中的較低損耗意味著散熱器體積、重量和成本的縮減以及更好的單次充電行駛里程，因而額外花費(fèi)的半導(dǎo)體單元成本很快就會(huì)被抵消。

我們達(dá)到盡善盡美了嗎？

沒有一家半導(dǎo)體制造商敢于聲稱它們的開關(guān)是完美的，但是既然功率轉(zhuǎn)換器效率已經(jīng)超過99%并精確到小數(shù)點(diǎn)后，就表示我們正在接近完美開關(guān)。這是SiC FET帶來的，而且您可以使用UnitedSiC網(wǎng)站上的SiC FET-JET計(jì)算器親自嘗試，它可以計(jì)算各種交直流和直流拓?fù)涞膿p耗。