碳化硅(SiC) MOSFET 日益普及的背后有一些關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因素，包括充電站、太陽(yáng)能光伏(PV)、電動(dòng)汽車(EV)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源(UPS)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)等現(xiàn)代電力電子應(yīng)用中對(duì)更高效率、更低能耗和更低總擁有成本日益旺盛的需求。本文介紹 Nexperia（安世半導(dǎo)體）的 SiC MOSFET 器件的一些獨(dú)特功能，這些功能為這些應(yīng)用帶來(lái)了其他制造商的類似器件無(wú)法提供的優(yōu)勢(shì)。

01

工作溫度范圍內(nèi)RDson漂移超低

一般來(lái)說(shuō)，SiC 素有溫度穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，但是，隨著典型器件中的結(jié)溫升高，RDSon在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)通常會(huì)增加到 1.6 至 2 倍。例如，某個(gè)器件在 25℃ 時(shí) RDSon為 40 mΩ，而當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 175℃ 時(shí)，RDSon可達(dá)到 80 mΩ。為克服這一限制，Nexperia（安世半導(dǎo)體）設(shè)計(jì)了 1200 V SiC MOSFET，使其具有業(yè)界少有的低 RDSon溫度漂移——僅為 1.4 倍（圖1）。這意味著，25℃ 時(shí) RDSon為 40 mΩ 的 Nexperia SiC MOSFET 在 175℃ 結(jié)溫時(shí) RDSon僅為至 56 mΩ。

與其他供應(yīng)商的類似器件相比，這種出色的溫度穩(wěn)定性具有減少高工作溫度下導(dǎo)通損耗的益處。此功能使 Nexperia SiC 器件非常適合要求苛刻的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，這些應(yīng)用通常會(huì)經(jīng)歷較高的工作溫度，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能光伏、UPS 等。

圖1：Nexperia 的 SiC MOSFET 具有業(yè)界少有的低 RDSon漂移

02

超低閾值電壓容差

MOSFET 的閾值電壓(Vth)是器件安全工作的一個(gè)重要指標(biāo)， 2.5 至 4 V 范圍內(nèi)通常提供可接受的工作裕度。Nexperia 設(shè)計(jì)的 1200 V SiC MOSFET 閾值電壓為 2.9 V，正好處于這個(gè)安全工作范圍內(nèi)。雖然閾值電壓的實(shí)際值很重要，但器件安全工作的一個(gè)相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)是閾值電壓容差。該參數(shù)表示指定的閾值電壓的最小值和最大值之間的變化。

低閾值電壓容差的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，它可以在多個(gè)并聯(lián)的 SiC MOSFET 之間實(shí)現(xiàn)高度對(duì)稱的開(kāi)關(guān)行為，而并聯(lián)是許多電源應(yīng)用中的常見(jiàn)布局形式。這種“平衡的并聯(lián)”減少了單個(gè)器件的應(yīng)力（否則器件可能會(huì)在動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)操作期間經(jīng)歷高電流負(fù)載），進(jìn)而增強(qiáng)電路性能并延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。與類似的競(jìng)品器件相比，Nexperia 的 SiC MOSFET 的閾值電壓變化最低，僅為1.2 V（即使在最壞情況條件下），可確保器件實(shí)現(xiàn)出色的平衡并聯(lián)（圖2）。

圖2：Vth的低變化意味著 Nexperia 的 SiC MOSFET 可實(shí)現(xiàn)器件的平衡并聯(lián)

03

優(yōu)異的柵極電荷參數(shù)

對(duì)于 SiC MOSFET 來(lái)說(shuō)，具有低柵極電荷(QG)非常重要，因?yàn)檫@可以降低開(kāi)關(guān)操作期間的柵極驅(qū)動(dòng)損耗，還可以降低功耗和對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器的其他要求。另外，其他和開(kāi)關(guān)性能密切相關(guān)但經(jīng)常被忽視的指標(biāo)包括柵漏電荷(QGD)和柵源電荷(QGS)之間的比率。如果 QGD 低于 QGS，SiC MOSFET 可提供最穩(wěn)定的性能（不會(huì)產(chǎn)生不必要的米勒導(dǎo)通不穩(wěn)定性）。Nexperia 設(shè)計(jì)的 1200 V SiC MOSFET 不僅具有低 QG，而且還具有出色的 QGD 與 QGS 電荷比（圖3）。這確保了它們提供低功耗、出色的穩(wěn)健性和安全開(kāi)關(guān)性能的優(yōu)異組合。

圖3：Nexperia 的 SiC MOSFET 具有低柵極電荷和電荷比

04

超低正向壓降

SiC MOSFET 通常用于具有高邊和低邊 MOSFET 的對(duì)稱橋配置，即一個(gè)器件導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)器件則關(guān)斷。為防止發(fā)生潛在的破壞性短路，需要一定的“死區(qū)時(shí)間”（兩個(gè)器件都處于關(guān)斷狀態(tài)的短暫持續(xù)時(shí)間）。盡管如此，即使在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流也會(huì)繼續(xù)流過(guò)MOSFET的體二極管，并且產(chǎn)生的壓降高于器件通道導(dǎo)通時(shí)的壓降。死區(qū)時(shí)間間隔內(nèi)升高的壓降會(huì)帶來(lái)更高的功率損耗。

Nexperia 的 1200 V SiC MOSFET 具有出色的體二極管穩(wěn)健性，相較于市場(chǎng)上其他類似的 SiC 同類產(chǎn)品，具有更低的正向壓降（圖4）。在 85℃ 25 A 的工作電流下，Nexperia 的 SiC MOSFET 的壓降約為 3.5 V，而其他供應(yīng)商具有類似 RDSon的器件的正向壓降通常超過(guò) 5 V。因此，與其他具有相同工作條件（和死區(qū)時(shí)間）的器件相比，Nexperia 的 1200 V SiC MOSFET 的損耗要低得多。這可以防止過(guò)度散熱，并使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地設(shè)置應(yīng)用所需的死區(qū)時(shí)間。

圖4：Nexperia 的 SiC MOSFET 具有低正向壓降

結(jié)論

SiC MOSFET 相對(duì)于同類硅產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)眾所周知，但隨著這些器件的普及，設(shè)計(jì)人員需要了解不同制造商的 SiC 器件在其提供的性能優(yōu)勢(shì)方面存在很大差異。Nexperia 設(shè)計(jì)的 SiC MOSFET 具有業(yè)界領(lǐng)先的指標(biāo)，包括工作溫度范圍內(nèi)超低的RDSon漂移、超低閾值電壓差、低柵極電荷以及卓越的柵極電荷比和超低正向壓降。這些優(yōu)異的工作參數(shù)為電力電子設(shè)計(jì)人員提供了使用類似競(jìng)爭(zhēng)器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：劉清