【導讀】性能是一個主觀術(shù)語，它可以用許多你喜歡的方式衡量，但是在功率轉(zhuǎn)換界，它歸結(jié)為兩個相互依賴的主要值，即效率和成本?，F(xiàn)在，作為半導體開關(guān)材料，硅在導電和動態(tài)損耗性能方面已經(jīng)到達了極限，這已經(jīng)是一個常識了，因此越來越多的人考慮采用碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術(shù)來實現(xiàn)更好的性能。這兩種材料具有更好的介質(zhì)擊穿特性，從而可以打造更薄、摻雜更重、導通電阻更低的阻擋層，同時，更小的晶粒體積還可降低器件電容，從而降低動態(tài)損耗。
功率轉(zhuǎn)換器的性能通常歸結(jié)到效率和成本上。實際示例證明，在模擬工具的支持下，SiC FET技術(shù)能兼顧這兩點。
性能是一個主觀術(shù)語，它可以用許多你喜歡的方式衡量，但是在功率轉(zhuǎn)換界，它歸結(jié)為兩個相互依賴的主要值，即效率和成本?，F(xiàn)在，作為半導體開關(guān)材料，硅在導電和動態(tài)損耗性能方面已經(jīng)到達了極限，這已經(jīng)是一個常識了，因此越來越多的人考慮采用碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術(shù)來實現(xiàn)更好的性能。這兩種材料具有更好的介質(zhì)擊穿特性，從而可以打造更薄、摻雜更重、導通電阻更低的阻擋層，同時，更小的晶粒體積還可降低器件電容，從而降低動態(tài)損耗。與硅相比，寬帶隙器件損耗更低，但是實際上，寬帶隙器件也有某些方面較差，如SiC MOSFET和GaN HEMT晶體管通常需要嚴格控制柵極驅(qū)動條件才能實現(xiàn)最佳性能。這些器件與硅開關(guān)相比還有一系列不同之處，因而帶來了困難，如SiC MOSFE柵極閾值的可變性和遲滯，以及GaN缺少雪崩額定值。
SiC FET接近理想開關(guān)
實際開關(guān)接近理想開關(guān)，卻不一定有巨大的進步。如果簡單的豎直溝槽SiC JFET與硅MOSFET結(jié)合，您可以獲得更低的標準化整體損耗、一個簡單的非臨界柵極驅(qū)動和一個有高雪崩額定值和短路額定值的可靠部件。這個器件就是SiC FET共源共柵，如圖1（右）所示，與左側(cè)的SiC MOSFET形成對比。在SiC FET中，SiC MOSFET中的溝道電阻Rchannel被低壓硅MOSFET的電阻所取代，后者的反轉(zhuǎn)層電子遷移率要好得多，損耗也因此更低。SiC FET的晶粒面積相對較小，尤其是在與一同封裝的堆疊在頂部的Si MOSFET配合使用時。
【圖1：SiC MOSFET（左）和SiC FET（右）結(jié)構(gòu)對比】
在現(xiàn)實中，對比性能的最好方法是對比“性能表征”（FoM），它們結(jié)合了給定晶粒體積下在不同應用中的導電損耗和開關(guān)損耗，晶粒體積對于每個晶圓的產(chǎn)量和隨之變化的成本很重要。圖2顯示的是選擇，它對比了可用的650V SiC MOSFET與UnitedSiC制造的750V第4代SiC FET。RDS(ON) xA，即單位面積的導通電阻是一個關(guān)鍵性能表征，值低表明晶粒面積較小，給定損耗性能下每個晶圓的產(chǎn)量較高。另一個性能表征RDS(ON)xEOSS，即導通電阻與輸出開關(guān)能量的乘積，它是表示導電損耗和開關(guān)損耗之間的權(quán)衡的特性，在硬開關(guān)應用中很重要。性能表征RDS(ON)xCOSS (tr)將導通電阻與跟時間有關(guān)的輸出電容關(guān)聯(lián)起來，表明在高頻軟開關(guān)電路中的相對效率性能。還有一個重要比較是整體二極管的前向壓降。在SiC FET中，VF是Si MOSFET體二極管壓降與第三象限JFET電阻性壓降之和，值約為1到1.5V。對于SiC MOSFET，該參數(shù)值可能超過4V，在電流通過整體二極管換向的應用中，這會導致開關(guān)死區(qū)時間內(nèi)有顯著導電損耗。
圖中所示的導通電阻相關(guān)性能表征是25°C和125°C下的值，表明在真實條件下SiC FET的性能非常好。
【圖2：SiC FET和SiC MOSFET的性能表征比較】
3.6kW SiC FET圖騰柱PFC級演示工具實現(xiàn)99.3%的效率峰值
也許最能證明SiC FET性能的情況是在典型應用中，即在圖騰柱PFC級中。長久以來，該電路都是交流線路整流與功率因數(shù)校正結(jié)合后的潛在高效解決方案，但是大功率和硅MOSFET技術(shù)下的硬開關(guān)才是不可接受的動態(tài)損耗的產(chǎn)生原因。SiC FET可解決這個問題，且UnitedSiC提供的3.6kW演示工具表明在230V交流電下會達到99.3%的效率峰值，這使得80+鈦金系統(tǒng)效率額定值更容易實現(xiàn)（圖3）。在電路的“快速”支路的兩個18歐SiC FET的任何一個中，都只有8W損耗，而硅MOSFET用作“慢”支路中的同步交流線路整流器。它們可以被硅二極管取代，讓解決方案的成本更低，同時仍實現(xiàn)99%以上的效率。該圖還表明了使用并聯(lián)的60歐SiC FET實現(xiàn)的結(jié)果，或每個快速支路開關(guān)使用一個18歐SiC FET實現(xiàn)的結(jié)果。
【圖3：使用SiC FET的3.6kW TPPFC級實現(xiàn)的效率】
模擬工具讓SiC FET選擇變得簡單
UnitedSiC的“FET-Jet”計算器讓選擇最佳SiC FET部件來實現(xiàn)最佳性能變得簡單。它是免費使用的在線工具，允許用戶從一系列整流器、逆變器和隔離和非隔離直流轉(zhuǎn)直流拓撲中選擇他們計劃使用的設計。然后用戶輸入運行規(guī)格，從UnitedSiC的系列SiC FET和二極管中選擇器件。該工具可以立即計算效率、組件損耗以及導電損耗占比和開關(guān)損耗占比、結(jié)溫上升等。并聯(lián)器件的效果會得到支持，還可以規(guī)定實際散熱器性能。
模擬結(jié)果和實際示例表明，SiC FET可以顯著提升功率轉(zhuǎn)換器的性能。文章開始處就說過，成本也是一個因素，當考慮系統(tǒng)效果時，SiC FET也能勝出，它的較高效率和較快開關(guān)速度可以降低散熱和磁性元件的體積與成本，從而降低系統(tǒng)平衡和擁有成本。
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