基于SiC的MOSFET器件在電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)分析

商用硅基功率MOSFET已有近40年的歷史，自問(wèn)世以來(lái)，MOSFET和IGBT一直是開(kāi)關(guān)電源的主要功率處理控制組件，被廣泛用于電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路設(shè)計(jì)。

不過(guò)，這一成功也讓MOSFET和IGBT體會(huì)到因成功反而受其害的含義。隨著產(chǎn)品整體性能的改善，特別是導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗的大幅降低，這些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。結(jié)果，市場(chǎng)對(duì)這些硅基MOSFET和IGBT的期望越來(lái)越高，對(duì)性能的要求越來(lái)越高。

盡管主要的半導(dǎo)體研發(fā)機(jī)構(gòu)和廠商下大力氣滿足市場(chǎng)要求，進(jìn)一步改進(jìn)MOSFET/ IGBT產(chǎn)品，但在某些時(shí)候，收益遞減法則占主導(dǎo)。幾年來(lái)，盡管付出投入很大，但成效收獲甚微。技術(shù)和產(chǎn)品最終發(fā)展到一個(gè)付出與收獲不成正比的階段，并不罕見(jiàn)，這是在為新的顛覆性方法和新產(chǎn)品問(wèn)世奠定基礎(chǔ)。

對(duì)于MOSFET器件，這個(gè)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新周期是開(kāi)發(fā)和掌握新基礎(chǔ)材料的結(jié)果。與基于純硅的MOSFET比較，基于碳化硅（SiC）的MOSFET的性能更勝一籌。 請(qǐng)注意，本文對(duì)比測(cè)試所用產(chǎn)品不是研發(fā)樣品或演示原型，而是已經(jīng)商用的基于SiC的MOSFET。

作為一個(gè)重要的快速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)（EV/HEV）的發(fā)展受益于MOSFET技術(shù)進(jìn)步，反過(guò)來(lái)又推到了MOSFET的研發(fā)制造活動(dòng)。不管消費(fèi)者是如何想的，這些滿載電池的汽車(chē)不只是一個(gè)大型電池組連接數(shù)個(gè)牽引電機(jī)那樣簡(jiǎn)單（混動(dòng)汽車(chē)還有一個(gè)小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)給電池充電），而是需要大量電子模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，管理設(shè)備，執(zhí)行特殊功能，如圖1所示。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)汽車(chē)不只是一臺(tái)大容量電池連接數(shù)臺(tái)牽引電機(jī)，還有許多較小的電子子系統(tǒng)及電源，以及給大型電池組充放電和管理電池組的高功率子系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)汽車(chē)所用的功率開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括：

· 輪轂電機(jī)牽引逆變器（200 kW/最高20 kHz）；

· 交流輸入車(chē)載充電器（20 kW/50 kHz-200 kHz）；

· 選配快速充電功能（50 kW/50 kHz-200 kHz）

· 輔助功能電源：中控臺(tái)、電池管理控制、空調(diào)、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、GPS、網(wǎng)絡(luò)連接（4 kW/ 50 kHz-200 kHz量級(jí)）

為什么要注重能效？ 續(xù)航里程顯然是消費(fèi)者選購(gòu)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)汽車(chē)的重要考慮因素之一。逆變器的性能提高幅度即便很小，也能導(dǎo)致消費(fèi)者能夠看到的汽車(chē)基本性能指標(biāo)明顯提高。

但是，要求高能效的不止于這一個(gè)因素，還有多種其它因素：

· 降低工作溫度，提高可靠性；

· 降低熱負(fù)荷，減少通過(guò)散熱器、散熱片、冷卻液和其它技術(shù)散發(fā)的熱量；

· 減少充電時(shí)間和基本用電量；

· 由于工作溫度較高的系統(tǒng)固有的要求和限制，整體封裝需要具有更大的靈活性；

· 更加輕松地符合法規(guī)要求。

SiC應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

幸運(yùn)的是，SiC提供了一條通向更高能效以及提高相關(guān)性能的途徑。在結(jié)構(gòu)和性能上，SiC MOSFET與主流的純硅MOSFET有何不同？簡(jiǎn)而言之，SiC MOSFET是在SiC n +襯底上加一個(gè) SiC n摻雜外延層（又稱(chēng)漂移層），如圖2所示。關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)通電阻RDS（ON）在很大程度上取決于源極/基極和漂移層之間的溝道電阻RDrift。

圖2：不同于純硅MOSFET，SiC MOSFET在n +型 SiC襯底上面制作一個(gè)碳化硅外延（漂移）層，源極和柵極置于SiC漂移層頂部。

當(dāng)RDrift值給定，結(jié)溫是25?C時(shí)，SiC晶體管裸片實(shí)際面積是硅超結(jié)晶體管裸片面積的幾分之一，如果使兩個(gè)管子的芯片面積相同，那么SiC晶體管的性能要高出很多。另一個(gè)比較SiC和硅的方法是用大家熟悉的品質(zhì)因數(shù)（FOM），即RDS（ON） ×芯片面積（品質(zhì)因數(shù)越低越好）。在1200V阻斷電壓下，意法半導(dǎo)體的SiC MOSFET的FOM值很小，約為市面上最好的高壓硅MOSFET（900V超結(jié)管）的十分之一。

與牽引逆變器常用的硅基IGBT相比，SiC MOSFET主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

· 開(kāi)關(guān)損耗更低，在中小功率時(shí)，導(dǎo)通損耗更低；

· 沒(méi)有IGBT那樣的PN結(jié)電壓降；

· SiC器件具有堅(jiān)固、快速的本征二極管，無(wú)需外部二極管；該本征二極管的恢復(fù)電荷極小，幾乎可以忽略不計(jì)；

· 工作溫度更高（200?C），從而降低了冷卻要求和散熱要求，同時(shí)提高了可靠性；

· 在能效相同的條件下，開(kāi)關(guān)頻率是IGBT的4倍，由于無(wú)源器件和外部元件少，重量、尺寸和成本更低。

驅(qū)動(dòng)器

經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師知道，功率器件只是整個(gè)系統(tǒng)的眾多重要組件之一。要想使設(shè)計(jì)變得可靠、高效，有成本效益，還需要給MOSFET選擇適合的驅(qū)動(dòng)器。適合的驅(qū)動(dòng)器是根據(jù)目標(biāo)MOSFET及其負(fù)載特有的電流變化率、電壓值和時(shí)序限制而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器。由于硅基MOSFET技術(shù)已經(jīng)成熟，市面上有很多品牌的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，保證驅(qū)動(dòng)器/ MOSFET組合正常工作。

因此，人們關(guān)心SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)的難易程度，更關(guān)心驅(qū)動(dòng)器在市場(chǎng)上是否有售，這是很正常的事情。令人興奮的是，驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET幾乎與驅(qū)動(dòng)硅基MOSFET一樣容易，驅(qū)動(dòng)一個(gè)80mΩ器件，只需要20V柵-源電壓、最大約2A的驅(qū)動(dòng)電流。因此，在許多情況下都可以使用簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動(dòng)器。意法半導(dǎo)體和其它廠商開(kāi)發(fā)出了針對(duì)SiC MOSFET優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器，例如ST TD350。

在這款先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，創(chuàng)新的有源米勒鉗位功能大多數(shù)應(yīng)用中節(jié)省了負(fù)電壓柵極驅(qū)動(dòng)，并允許使用簡(jiǎn)單的自舉電源驅(qū)動(dòng)高邊驅(qū)動(dòng)器；電平和延遲可調(diào)節(jié)的兩級(jí)關(guān)斷功能可以預(yù)防關(guān)斷操作產(chǎn)生大量的過(guò)電壓，以防萬(wàn)一發(fā)生過(guò)流或短路情況，兩級(jí)關(guān)斷功能中設(shè)置的延遲還可用于控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通操作，防止脈沖寬度失真。（為進(jìn)一步簡(jiǎn)化SiC MOSFET的使用，意法半導(dǎo)體發(fā)布了題目為 “如何微調(diào)SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，最大限度降低損耗”的應(yīng)用筆記，全面詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)器的要求和最佳性能解決方案。）

不只是推斷，還是事實(shí)

制造工藝的進(jìn)步有時(shí)并不能保證新技術(shù)一定會(huì)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用，而SiC MOSFET卻是一個(gè)例外。目前，SiC MOSFET已經(jīng)大批量生產(chǎn)，并被混動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)采用，在能效、性能和工作條件方面取得切實(shí)的成效，并傳導(dǎo)到電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)。

我們用混動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的80kW牽引電機(jī)逆變器電源模塊做了一個(gè)SIC MOSFET與硅IGBT的對(duì)比測(cè)試，結(jié)果顯示，在許多關(guān)鍵參數(shù)方面，650V SIC MOSFET遠(yuǎn)勝硅IGBT。這個(gè)三相逆變器模塊采用雙極性PWM控制拓?fù)?，具?a target="_blank">同步整流模式。兩種器件都是按照結(jié)溫小于絕對(duì)最大額定結(jié)溫80％確定器件尺寸。硅 IGBT方案使用4個(gè)并聯(lián)的650V/200A IGBT和額定值相同的相關(guān)續(xù)流硅二極管；基于SIC MOSFET的方案設(shè)計(jì)采用7個(gè)并聯(lián)的650V/100A SiC MOSFET，未使用任何外部二極管（只用本征二極管）；額定峰值功率480Arms（10秒），正常負(fù)載230Arms。其它工作條件是：

· 直流電路電壓：400Vdc

· 開(kāi)關(guān)頻率：16kHz

· SiC Vgs電壓 +20V/-5V，IGBT Vge電壓 ±15V

· 冷卻液溫度：85℃

· RthJ-C（IGBT-die）=0.4℃/W; RthJ-C（SiC-die）=1.25℃/W

· 在任何條件下，Tj ≤ 80% ×Tjmax℃

下表列出了在額定峰值功率下的典型功率損耗：

注意到，SiC MOSFET與硅基IGBT對(duì)比，幾乎所有功率損耗參數(shù)都有明顯改善。當(dāng)并聯(lián)MOSFET時(shí)，所產(chǎn)生的RDS（ON） 導(dǎo)通電阻除以MOSFET的個(gè)數(shù)，致使導(dǎo)通損耗接近零，因此，SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗低于IGBT。相反，當(dāng)并聯(lián)IGBT時(shí)，所產(chǎn)生的VCE（SAT） 電壓不會(huì)線性下降，并且最小導(dǎo)通電壓降是限制在大約0.8至1 V范圍內(nèi)。

不難看出，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，基于SiC的MOSFET解決方案的功率損耗低很多。由于導(dǎo)通電壓降較低，這些MOSFET在100％負(fù)載時(shí)的導(dǎo)通損耗也從125 W降低到55 W，如圖3a和3b所示。

圖3：a）在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，基于SiC的設(shè)計(jì)（紅線）的功耗比硅基IGBT（藍(lán)線）低很多（左圖）。 b）SiC系統(tǒng)（紅線）的能效明顯高于純硅方案（藍(lán)線），在較低的負(fù)載比時(shí)尤為顯著。

在低負(fù)載時(shí)，SiC器件的能效比硅IGBT高達(dá)3％；在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，總能效高至少 1％。盡管1％看起來(lái)似乎不高，但對(duì)于這個(gè)功率等級(jí)，1％代表了很高的功耗、耗散功率和散熱量。工程師知道，高溫是持久性能和可靠性的大敵。此外，高能效還能延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，這是汽車(chē)制造商和消費(fèi)者比較看重的價(jià)值主張。在16 kHz開(kāi)關(guān)頻率下，比較SiC與IGBT的結(jié)溫，從低負(fù)載到滿負(fù)載，顯然SiC是贏家，兩者的冷卻液溫度均為85?C，如圖4所示。數(shù)據(jù)表明，因?yàn)閾p耗高，IGBT冷卻系統(tǒng)的效率必須更高。

圖4：結(jié)溫決定開(kāi)關(guān)頻率高低、可靠性以及其它性能；在可靠性方面，SiC解決方案（紅線）優(yōu)于硅解決方案（藍(lán)線），直到100％負(fù)載仍然保持較低的Δ（Tj-Tfluid）溫差。

SiC器件結(jié)溫幾乎在整個(gè)開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)都處于較低的水平，如圖5所示，甚至開(kāi)關(guān)頻率低至8 kHz時(shí)，溫度也比IGBT低，硅基IGBT在46 kHz時(shí)已超出額定結(jié)溫范圍。

圖5：在整個(gè)開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)，結(jié)溫低也是SiC器件的主要優(yōu)勢(shì)；這兩個(gè)方案在8 kHz時(shí)結(jié)溫大致相同，但之后SiC（紅線）逐漸優(yōu)于Si（藍(lán)線），后者隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而大幅增加。

在峰值功率脈沖條件下，SiC MOSFET導(dǎo)通損耗高于IGBT，為使結(jié)溫保持在最高結(jié)溫以下（通常為200?C的Tjmax的80％），我們限定SiC MOSFET的尺寸，這時(shí) SiC MOSFET具有以下優(yōu)勢(shì)：

· 芯片面積小，適合更緊湊的方案；

· 中低負(fù)載功率損耗低很多；

· 電池續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，延長(zhǎng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程；

· 滿載時(shí)損耗更低，適用于更小的冷卻方案；

· 在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，結(jié)溫Tj和冷卻液溫度Tfluid的溫差小，可提高可靠性。

這些特性和優(yōu)點(diǎn)為用戶帶來(lái)了切實(shí)的好處，例如，能效提高至少1％（損耗降低75％）；逆變器側(cè)冷卻系統(tǒng)更小、更輕（減少約80％）；電源模塊更小、更輕（減少50％）。

成本考量

當(dāng)討論技術(shù)進(jìn)步及其帶來(lái)的好處時(shí)，不考慮成本因素的討論都是片面的。目前，SiC MOSFET的成本是硅IGBT的4-5倍，不過(guò)，SiC MOSFET在物料清單、冷卻系統(tǒng)和能耗方面的節(jié)省，降低了系統(tǒng)總成本，通常可以抵消掉這些基礎(chǔ)組件的成本差距。在未來(lái)2-5年，隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向大直徑晶圓，意法半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)型，這一價(jià)差應(yīng)該會(huì)降至3倍甚至2.5倍，品質(zhì)因數(shù)RDSON × 面積也將得到改善，產(chǎn)量將會(huì)提高。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，未來(lái)5-10年，隨著這些參數(shù)改進(jìn)，成本將會(huì)繼續(xù)降低。

SiC功率開(kāi)關(guān)帶來(lái)了改進(jìn)性能的希望，同時(shí)也將這些希望變成了現(xiàn)實(shí)，在應(yīng)用和安裝中幾乎不存在設(shè)計(jì)折衷問(wèn)題。隨著汽車(chē)廠商加緊研發(fā)混動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和許多相關(guān)電源模塊，以及其它以大功率電機(jī)為中心的應(yīng)用，SiC功率開(kāi)關(guān)可以在成功設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，即使改進(jìn)步伐很小，也會(huì)為系統(tǒng)級(jí)帶來(lái)巨大的進(jìn)步。

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