市場對切換速度、功率、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力耐受度之要求日益提升，而硅元件理論上正在接近性能上限。寬能帶隙半導(dǎo)體元件因電、熱、機(jī)械等各項性能表現(xiàn)具佳而被業(yè)界看好，被認(rèn)為是硅半導(dǎo)體元件的替代技術(shù)。

在這些新材料中，相容硅技術(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元件，但是，遠(yuǎn)高于普通硅元件的制造成本限制了其在中低壓元件中的推廣應(yīng)用。在600V電壓范圍內(nèi)，硅元件的性能非常好，CP值優(yōu)于碳化硅元件。不過，應(yīng)用要求晶片有更高的性能，而硅元件已經(jīng)達(dá)到了極限。

本文評測了主切換采用意法半導(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碳化硅元件與新一代硅元件做了全面的比較。測試結(jié)果證明，新SiC碳化硅切換元件提升了切換性能的標(biāo)桿，讓系統(tǒng)具更高的效能，對市場上現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計影響較大。

最近幾年，人們更加關(guān)注環(huán)境、效能和污染問題，導(dǎo)致電氣效能標(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。現(xiàn)在，切換頻率可以更高，同時切換損耗可以降至更低，本文介紹的650V碳化硅電晶體適用于應(yīng)用場景。如表1所示，碳化硅的寬能帶隙使電力元件具有很多優(yōu)異的特性。

碳化硅的寬能帶隙使電力元件具有很多優(yōu)異的特性

更高的關(guān)鍵應(yīng)用可使用摻雜程度更高的超薄裸片，其損耗相較其他晶片低很多。碳化硅熱導(dǎo)率較硅元件高出很多，因此，功率損耗散熱導(dǎo)致的溫降在整個元件上都比較低。因為碳化硅的熔點(diǎn)溫度更高，可以工作在400℃范圍內(nèi)，這些特性讓人們更加看好碳化硅元件在切換速度、損耗、RDS（on）導(dǎo)通電阻、擊穿電壓方面的性能表現(xiàn)。事實上，擊穿電壓高于1，200V的碳化硅元件深受市場歡迎。是否選擇超高擊穿電壓的碳化硅元件，不僅要考慮電氣特性，還要考慮碳化硅的制造成本。對于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，碳化硅元件的CP值不如硅元件?，F(xiàn)在4吋和6吋碳化硅晶圓片十分常見，市場對碳化硅元件需求成長可以讓廠商降低制造成本。600V SiC MOSFET開始出現(xiàn)在市面上，具有令人感興趣的特性，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。

650V SiC克服MOSFET性能極限

如前文介紹，硅功率MOSFET元件的性能正在接近極限。意法半導(dǎo)體開發(fā)出一個60兆歐姆/650V SiC MOSFET產(chǎn)品原型，克服了600V功率MOSFET性能極限。為證明這款650V SiC MOSFET的優(yōu)勢，我們將其與當(dāng)前最先進(jìn)的超接面功率MOSFET對比。表2列出了這兩種對比元件的電氣參數(shù)。為了使測試條件具有可比性，我們選擇兩款150℃時RDS（on）參數(shù)相似的硅元件和碳化硅元件。

列出了這兩種對比元件的電氣參數(shù)。

不難發(fā)現(xiàn)，RDS（on）參數(shù)對應(yīng)的熱導(dǎo)系數(shù)不同。如圖1所示，碳化硅元件的RDS（on）基本上與溫度無關(guān)，最高階面溫高于同級的硅元件，這讓工作溫度更高，而不會導(dǎo)致?lián)p耗增加。切換損耗亦是如此（見圖2）。 兩個元件的另一個差別是驅(qū)動這兩個元件完全導(dǎo)通需要不同的柵極電壓，硅MOSFET是10V，碳化硅MOSFET是20V。

圖1 歸一化Ron SiC MOSFET與硅MOSFET對比

圖2 SiC Eoff-溫度曲線

我們在一個標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器（圖3）內(nèi)對比分析650V SiC MOSFET與先進(jìn)的硅元件，為了解650V SiC MOSFET的特性，我們使用100kHz和200kHz切換頻率進(jìn)行對比。

圖3 升壓轉(zhuǎn)換器

測試條件如下：

VIN=160V，VOUT=400V，

POUTmax=1600W，占空比=60%，升壓二極體為碳化硅STPSC2006。

柵極驅(qū)動條件：

硅MOSFET：VGS=0/10V，RG（on）=5.6Ω，RG（OFF）=2.2Ω

碳化硅MOSFET：VGS=0/20V，RG（on）=

5.6Ω，RG（OFF）=2.2Ω

為降低外部因素對測試結(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)載條件下的效能。如圖4所示，在fsw=200kHz時，碳化硅MOSFET的切換特性優(yōu)于硅元件（100kHz開關(guān)頻率亦是如此），從圖5的效能和熱曲線不難看出，碳化硅MOSFET的切換特性明顯優(yōu)于硅元件。

圖4 開關(guān)損耗

圖5 滿負(fù)載時的效能與溫度

在100kHz和200kHz開關(guān)頻率時，兩個測試顯示，碳化硅MOSFET效能更高，且封裝溫度更低。從圖中不難看出，當(dāng)高頻率切換時，碳化硅的優(yōu)勢比較突出。

新650V碳化硅MOSFET是高能效系統(tǒng)的最新產(chǎn)品。在硬切換應(yīng)用中，這款產(chǎn)品能夠提升效能，其采用新的熱管理方法，有效提升功率/立方厘米。對于其固有參數(shù)，這款產(chǎn)品將能夠用于軟切換應(yīng)用，這是將來的研發(fā)目標(biāo)。