作者：Fatih Cetindag，安森美汽車電源部應(yīng)用工程師

本文將介紹三相功率因數(shù)校正 (PFC) 轉(zhuǎn)換器的器件特性測(cè)試和仿真結(jié)果，轉(zhuǎn)換器使用兩款TO247-4L封裝的不同SiC MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管) 實(shí)現(xiàn)。被測(cè)器件之一來(lái)自安森美 (onsemi) 新推出的EliteSiC M3S系列，其針對(duì)低開關(guān)損耗進(jìn)行了優(yōu)化，另一款被測(cè)器件來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，其基本參數(shù)如表1所示。本文還討論了器件參數(shù)如何影響相對(duì)性能。

開關(guān)器件中的功率損耗可分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。由于電流或電壓不可能瞬時(shí)改變電平，因此存在上升和下降時(shí)間，開關(guān)損耗也就隨之產(chǎn)生。對(duì)于功率 MOSFET 的電壓和電流，上升和下降時(shí)間取決于器件寄生電容的充放電速度。此外，體二極管的反向恢復(fù)電荷也會(huì)造成開關(guān)損耗。另一方面，當(dāng)器件“開啟”傳導(dǎo)電流時(shí)，器件會(huì)有導(dǎo)通損耗。器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)決定開關(guān)損耗，而導(dǎo)通損耗則與靜態(tài)參數(shù)有關(guān)。通過研究這些參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以深入了解器件性能與功率損耗大小的關(guān)系。影響開關(guān)損耗的主要參數(shù)是器件電容（C_oss、C_iss和C_rss）和體二極管反向恢復(fù)電荷 (Q_rr)。相比之下，造成導(dǎo)通損耗的主要因素是R_DS(on)和V_SD（體二極管壓降）。

首先，在不同條件下使用雙脈沖測(cè)試裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，以比較每個(gè)MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)，如圖1所示。然后進(jìn)行三相PFC仿真，以比較每個(gè)MOSFET的整體系統(tǒng)效率。

圖 1：雙脈沖測(cè)試電路簡(jiǎn)化示意圖

表1：兩款被測(cè)器件的資料手冊(cè)信息

R_DS(on)和V_SD（體二極管壓降）是最重要的靜態(tài)參數(shù)，我們?cè)诙喾N測(cè)試條件下進(jìn)行了測(cè)試。安森美NVH4L022N120M3S與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A的備選SiC MOSFET進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。表2中總結(jié)的結(jié)果表明，在所有測(cè)量的溫度和電流下，安森美NVH4L022N120M3S性能更優(yōu)越，其V_SD均更低。根據(jù)這些結(jié)果可知，其導(dǎo)通損耗更低。

表2：不同測(cè)試條件下V_SD的比較

R_DS(on) 是另一個(gè)可用于預(yù)測(cè)器件導(dǎo)通損耗的關(guān)鍵參數(shù)。因此，在25°C和175°C結(jié)溫下對(duì)兩個(gè)器件的R_DS(on)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。R_DS(on)的測(cè)量在15V和18V兩種柵源電壓下進(jìn)行，使用300μs的導(dǎo)通脈沖寬度。測(cè)試結(jié)果表明，競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品A在每種測(cè)試條件下的R_DS(on)都略低，這說(shuō)明在給定結(jié)溫下，其導(dǎo)通損耗低于M3S。

圖2：兩個(gè)MOSFET在25°C（左）和175°C（右）下的R_DS(on)比較

SiC MOSFET中不存在少數(shù)載流子，因此尾電流不會(huì)像在Si IGBT中那樣影響性能，結(jié)果是關(guān)斷損耗顯著降低。此外，SiC器件具有比Si MOSFET更低的反向恢復(fù)電荷，因此峰值導(dǎo)通電流更小，導(dǎo)通損耗更低。輸入電容(C_iss)、輸出電容 (C_oss)、反向傳輸電容 (C_rss) 和反向恢復(fù)電荷 (Q_rr) 是造成開關(guān)損耗的主要參數(shù)，值越小通常損耗越低。在開關(guān)應(yīng)用中，開關(guān)瞬態(tài)間隔期間的漏源電壓顯著高于 6V，因此高電壓區(qū)域是這些開關(guān)曲線的關(guān)鍵部分。當(dāng)V_DS≥6V時(shí)，NVH4L022N120M3S的C_iss、C_oss和C_rss值更低（圖3），這意味著其導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗低于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品A。

圖3：輸入C_iss、輸出C_oss和反向傳輸C_rss電容的比較

在25°C和175°C時(shí)，通過雙脈沖測(cè)試在多種負(fù)載電流條件下測(cè)量了兩款器件的開關(guān)損耗，如圖4和圖5所示。測(cè)試條件如下：

平均而言，與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品A相比，對(duì)于10A至100A的負(fù)載電流，M3S的開關(guān)損耗在25°C時(shí)要低5%，在175°C時(shí)要低9%。主要原因是得益于安森美的M3S工藝技術(shù)，其E_ON損耗更低。

圖4.25°C 時(shí)的開關(guān)損耗比較

圖5.175°C時(shí)的開關(guān)損耗

如前所述，MOSFET的反向恢復(fù)行為也會(huì)影響開關(guān)損耗。該參數(shù)的測(cè)試條件為：I_D=40A，di/dt=3A/ns（調(diào)整RG值以獲得相同di/dt），溫度為25°C。測(cè)試結(jié)果表明，M3S的反向恢復(fù)時(shí)間更短，反向恢復(fù)電荷更低，反向恢復(fù)能量更低，因此其反向恢復(fù)性能優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品A。

圖6：M3S（左）和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品 A（右）的反向恢復(fù)損耗比較

升壓型PFC和具有兩個(gè)電感 (LL)、一個(gè)電容 (C) 的LLC，是汽車車載充電器和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中常用的電路拓?fù)?。升壓型三相PFC拓?fù)浒鶄€(gè)開關(guān)器件，而全橋LLC拓?fù)溆兴膫€(gè)開關(guān)器件，次級(jí)側(cè)還有同步整流器。

圖7：升壓型三相PFC（左）和全橋LLC（右）

評(píng)估完導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之后，接下來(lái)對(duì)三相升壓型PFC電路進(jìn)行仿真（利用PSIM），使用以下測(cè)試條件分別比較采用每種類型MOSFET的系統(tǒng)效率：

仿真結(jié)果表明，對(duì)于相同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用NVH4L022N120M3S的三相升壓PFC系統(tǒng)在所有工作點(diǎn)上都表現(xiàn)出比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品A更高的效率。

圖8：仿真估算：不同功率水平下的效率比較

在電力電子應(yīng)用中，SiC 器件相比傳統(tǒng)硅基器件具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括更高的效率、更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，以及能夠在更高頻率下工作，從而支持更高功率密度的設(shè)計(jì)。與類似的競(jìng)爭(zhēng)器件相比，安森美的 M3S 技術(shù)提供更勝一籌的開關(guān)性能和品質(zhì)因數(shù)，包括ETOT、Q_rr、V_SD和整體系統(tǒng)效率。M3S技術(shù)專為滿足電動(dòng)汽車高頻開關(guān)應(yīng)用（如車載充電器和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器）的要求而打造。M3S MOSFET旨在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之間的平衡，從而適用于PFC和其他硬開關(guān)應(yīng)用。