如何在大功率應(yīng)用中減少損耗、提高能效并擴(kuò)大溫度范圍

功耗密集型應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員需要更小、更輕、更節(jié)能的電源轉(zhuǎn)換器，能夠在更高電壓和溫度下工作。在電動(dòng)汽車 (EV) 等應(yīng)用中尤其如此，若能實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)，可加快充電速度、延長(zhǎng)續(xù)航里程。為了實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員目前使用基于寬帶隙 (WBG) 技術(shù)的電源轉(zhuǎn)換器，例如碳化硅 (SiC) 電源轉(zhuǎn)換器。

功耗密集型應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員需要更小、更輕、更節(jié)能的電源轉(zhuǎn)換器，能夠在更高電壓和溫度下工作。在電動(dòng)汽車 (EV) 等應(yīng)用中尤其如此，若能實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)，可加快充電速度、延長(zhǎng)續(xù)航里程。為了實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員目前使用基于寬帶隙 (WBG) 技術(shù)的電源轉(zhuǎn)換器，例如碳化硅 (SiC) 電源轉(zhuǎn)換器。
與硅 (Si) 轉(zhuǎn)換器相比，這類器件的工作電壓更高、重量更輕，但功率處理能力相似。它們還能在更高的溫度下工作，從而減少對(duì)冷卻系統(tǒng)的需求。SiC 器件可以在更高的開關(guān)頻率下工作，因而允許使用更小的無源元器件，減小了轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量。并且，SiC 仍在不斷發(fā)展，最新的研究成果是“導(dǎo)通”電阻降低，進(jìn)一步減小了功率損耗。
本文以電動(dòng)汽車為背景，簡(jiǎn)要討論了 SiC 相對(duì)于 Si 的優(yōu)勢(shì)。隨后討論了 SiC 的發(fā)展，然后介紹了 ROHM Semiconductor 的第四代 SiC MOSFET，并說明它們?nèi)绾螏椭O(shè)計(jì)人員降低功耗和成本以及減小基底面
為何使用 SiC？
電動(dòng)汽車需要擴(kuò)充電池容量才能增加續(xù)航里程。在這種趨勢(shì)下，為了縮短充電時(shí)間，電池電壓被提高到 800 V。因此，電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員需要能夠耐受更高電壓，同時(shí)又能減少電力損耗和重量的器件。ROHM Semiconductor 的第四代 SiC MOSFET 具有更高的電壓耐受水平、更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗以及更小的尺寸，可降低損耗。
SiC 是一種 WBG 半導(dǎo)體，與 Si MOSFET 技術(shù)相比，在高壓功率開關(guān)應(yīng)用中的能效異常突出。通過對(duì) SiC 和 Si 的物理特性進(jìn)行比較，可以看出這種改進(jìn)主要基于 5 個(gè)物理特性：擊穿電場(chǎng)、帶隙、導(dǎo)熱率和熔點(diǎn)（圖 1）。

圖 1：從 5 個(gè)物理特性看 SiC 相對(duì)于 Si MOSFET 的優(yōu)勢(shì)。（圖片來源：ROHM Semiconductors）

SiC 的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是 Si 的 10 倍，因而可以設(shè)計(jì)具有更高擊穿電壓的器件，同時(shí)減小器件厚度。SiC 的帶隙更寬，允許器件在更高的溫度下工作。熱導(dǎo)率更高，減少了冷卻設(shè)備所需的工作量，而較高的熔點(diǎn)則增加了工作溫度范圍。最后，SiC 的飽和電子漂移速度更高，可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更低的開關(guān)損耗。開關(guān)頻率更高，則需要的濾波器和其他無源元器件更小，從而進(jìn)一步減小尺寸和重量。
MOSFET 的發(fā)展
最初的 SiC MOSFET 采用平面結(jié)構(gòu)，器件柵極和溝道位于半導(dǎo)體表面。由于為提高器件產(chǎn)量而可減小的設(shè)計(jì)尺寸受限，因此平面器件的元器件密度有限。使用單溝槽和雙溝槽型 MOSFET 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的器件密度（圖 2）。

圖 2：溝槽型 MOSFET 通過豎向排布器件元件實(shí)現(xiàn)了更高的器件密度。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

與其他 MOSFET 類似，溝槽型 MOSFET 單元包含漏極、柵極和源極，但豎向排列。借助場(chǎng)效應(yīng)，形成豎向溝道，與柵極溝槽平行。電流的流向是從源極豎向流到漏極。與橫向排布并占用大量表面積的平面器件相比，這種結(jié)構(gòu)非常緊湊。
單溝槽結(jié)構(gòu)使用單柵極溝槽。雙溝槽器件既有柵極溝槽，也有源極溝槽。ROHM Semiconductor 在其第三代 SiC MOSFET 中采用了雙溝槽結(jié)構(gòu)。第四代設(shè)計(jì)改進(jìn)了雙溝槽設(shè)計(jì)，減小了單元尺寸，進(jìn)一步降低了導(dǎo)通電阻和寄生電容，從而大幅降低了功率損耗，并提供使用更小 SiC 器件的選擇，以支持更具成本效益的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
降低 MOSFET 的導(dǎo)通電阻可能會(huì)影響其處理短路的能力。但是，第四代 SiC MOSFET 在不犧牲短路耐受時(shí)間的前提下實(shí)現(xiàn)了更低的導(dǎo)通電阻，從而使這些器件在實(shí)現(xiàn)高能效和強(qiáng)大的短路穩(wěn)健性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
了解損耗
開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的損耗來自多個(gè)方面；與有源器件相關(guān)的損耗包括傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和體二極管損耗（圖 3）。

圖 3：降壓式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的示意圖，標(biāo)出了開關(guān)波形和相關(guān)損耗波形。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

降壓轉(zhuǎn)換器采用圖騰柱設(shè)計(jì)，帶有一個(gè)高壓側(cè) (SH) 和一個(gè)低壓側(cè) (SL) MOSFET 開關(guān)。這些開關(guān)為異相驅(qū)動(dòng)，因此每次只有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。柵極驅(qū)動(dòng)波形（VGSH 和 VGSL）顯示了因器件寄生電容的相關(guān)充電間隔而產(chǎn)生的振幅階躍。圖中顯示了兩種器件的漏極至源極電壓（VDSH、VDSL）和漏極電流（IDH、IDL）波形。器件導(dǎo)通時(shí)，VDS 為低電平。器件關(guān)斷時(shí)，VDS 為高電平。在 SH 導(dǎo)通期間，漏極電流線性增加，同時(shí)對(duì)電感器的磁場(chǎng)充電。在此期間，通過溝道電阻的電流會(huì)在溝道上產(chǎn)生電壓，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗 (PCOND)，該損耗與電流的平方和溝道導(dǎo)通電阻成正比。在器件改變狀態(tài)的時(shí)間間隔內(nèi)，電壓和電流都不為零，器件的耗散功率與電壓、電流、開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間和開關(guān)頻率成正比。這就是開關(guān)損耗。
SL 導(dǎo)通時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似情況。在這種情況下，當(dāng)電感器中儲(chǔ)存的能量為下部器件提供漏極電流時(shí)，電流呈線性下降。同樣，溝道電阻作為傳導(dǎo)損耗耗散功率。請(qǐng)注意，在電流變?yōu)榉橇阒?，下部器件中?VDSL 接近零，因此周期的這一部分不存在開關(guān)損耗。
恢復(fù)損耗 (PQrr) 是由器件體二極管的恢復(fù)導(dǎo)致；為簡(jiǎn)單起見，僅顯示高壓側(cè)的恢復(fù)損耗。
Pbody 是器件的體二極管傳導(dǎo)損耗。此損耗是由通過低壓側(cè)器件的體二極管傳導(dǎo)的電流產(chǎn)生。
總功率損耗是兩個(gè)晶體管所有這些分量的總和。
第四代 SiC MOSFET 的性能提高
我們使用一款 5 kW 全橋逆變器對(duì) Si IGBT 以及第三代和第四代 SiC MOSFET 的性能進(jìn)行了比較（圖 4）。在這種全橋電路中，開關(guān)器件并聯(lián)在一起，以獲得更大的電流能力。全橋共使用 8 個(gè)器件。左圖中的 8 個(gè)器件安裝在散熱片上。我們用原始 IGBT 以及第三代和第四代 MOSFET 對(duì)電路的能效進(jìn)行了評(píng)估。該逆變器的 SiC MOSFET 開關(guān)頻率為 40 kHz，IGBT 開關(guān)頻率為 20 kHz。

圖 4：5 kW 無風(fēng)扇逆變器及其原理圖。該電路最初設(shè)計(jì)使用硅 IGBT，運(yùn)行頻率為 20 kHz，后來使用第三代和第四代 SiC MOSFET，運(yùn)行頻率為 40 kHz。對(duì)所有三種半導(dǎo)體類型的性能進(jìn)行了比較。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

第三代器件是 ROHM Semiconductor SCT3030AL 器件，額定電壓為 650 V，溝道電阻 (RDS(ON)) 為 30 mΩ。第四代 MOSFET 是 ROHM Semiconductor SCT4026DEC11。第四代器件的額定電壓提升至 750 V。其 RDS(ON) 為 26 mΩ，降低了 13%，從而略微減少了傳導(dǎo)損耗。
比較這兩種 SiC MOSFET 的損耗與原始 IGBT 的損耗，可以看出能效有所提高（圖 5）。

圖 5：與原始 Si IGBT 和第三代器件相比，第四代 SiC MOSFET 大幅降低了損耗。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

與第三代器件相比，第四代器件的傳導(dǎo)損耗（藍(lán)色）從 10.7 W 降至 9.82 W。開關(guān)損耗（橙色）降幅更為明顯，從 16.6 W 降至 8.22 W。
第四代器件的其他改進(jìn)還包括柵極驅(qū)動(dòng)能力的提高。第四代 SiC MOSFET 支持 15 V 驅(qū)動(dòng)；第三代器件需要 18 V。這意味著設(shè)計(jì)使用硅器件的電路可以使用第四代 MOSFET 作為直接替代品。此外，對(duì)于第四代 SiC MOSFET，關(guān)斷期間的推薦驅(qū)動(dòng)電壓為 0 V。在第四代產(chǎn)品之前，柵極至源極電壓在關(guān)斷期間需要一個(gè)負(fù)偏置，以防止自導(dǎo)通。不過，在第四代器件中，閾值電壓 (Vth) 設(shè)計(jì)較高，以抑制自導(dǎo)通，從而無需施加負(fù)偏置。
第四代解決方案
ROHM Semiconductor 的第四代 SiC MOSFET 解決方案根據(jù)器件封裝分為兩組。本文討論的 SCT4026DEC11 是一款 750 V、56 A (+25°C)/29 A (+100°C)、26 mΩ SiC MOSFET，采用三引線 TO-247N 封裝。替代四引線封裝方案的一個(gè)示例是 SCT4013DRC15，該器件是一款 750 V、105 A (+25°C)/74 A (+100°C) 的 13 mΩ 器件，采用四引線 TO-247-4L 封裝。
四引線封裝增加了一條引線，從而提高了 MOSFET 的開關(guān)速度。傳統(tǒng)的 TO-247N 三引線封裝無法將柵極驅(qū)動(dòng)與高漏極電流導(dǎo)致的寄生源極引線電感隔離開。柵極電壓施加在柵極和源極引腳之間。由于源極寄生電感 (VL) 上的壓降，芯片上的有效柵極電壓降低，導(dǎo)致開關(guān)速度降低（圖 6）。

圖 6：TO-247-4L 上的第四個(gè)引腳利用開爾文連接中的額外連接引腳將柵極驅(qū)動(dòng)與電源引腳隔離。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

四引腳 TO-247-4L 封裝將柵極驅(qū)動(dòng)和電源引腳分開，在內(nèi)部將柵極驅(qū)動(dòng)直接連接到源極。這樣可以最大限度地減少源極引腳寄生電感的影響。與傳統(tǒng)的三引腳 TO-247N 封裝相比，柵極驅(qū)動(dòng)直接接入內(nèi)部源極連接可最大限度地提高 SiC MOSFET 的開關(guān)速度，將總開關(guān)損耗（導(dǎo)通和關(guān)斷）降低達(dá) 35%。
第四代 SiC MOSFET 的第二個(gè)差異化規(guī)格是額定電壓。器件的額定電壓為 750 V 或 1200 V。前面討論的兩個(gè)器件的額定電壓為 750 V。對(duì)于更高的電壓應(yīng)用，SCT4062KEC11 是一款 1200 V、62 mΩ、26 A (+25°C)/18 A (+100°C) SiC N 溝道 MOSFET，采用三引線 TO-247N 封裝；而 SCT4036KRC15 是一款 1200 V、36 mΩ、43 A (+25°C)/30 A (+100°C) N 溝道 MOSFET，采用四引線 TO-247-4L 封裝。目前共有 10 款第四代 SiC MOSFET，在 +25°C 時(shí)的額定電流為 26 A 至 105 A。這些器件的 RDS(ON) 值從 13 到 62 mΩ 不等。
EV 應(yīng)用
第四代 SiC MOSFET 的規(guī)格非常適合電動(dòng)汽車應(yīng)用。例如電壓為 400 V 或 800 V 的電池電動(dòng)車 (BEV)（圖 7）。

圖 7：第四代 SiC MOSFET 在 BEV 和相關(guān)外部配件中的典型應(yīng)用。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

圖 7 所示為電池電壓為 400 V 或 800 V、支持雙向快充的 BEV 方框圖。車載充電器 (OBC) 包括圖騰柱功率因數(shù)校正電路 (PFC) 和雙向全橋 CLLC（電容器、電感器、電感器、電容器）諧振轉(zhuǎn)換器。外部“Quiq”直流充電器可直接為電池充電。電池驅(qū)動(dòng)牽引逆變器，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。所有這些電路均在各種電路配置中采用了 MOSFET 來處理所需的功率水平。第四代 SiC MOSFET 的重要性在于，它們能減小電路物理尺寸，提高額定電壓，同時(shí)降低損耗和成本。
總結(jié)
對(duì)于電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和基站等高電壓、大功率應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員來說，第四 SiC MOSFET 是關(guān)鍵性功率開關(guān)器件。如上所述，它們采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，能夠減少損耗從而大幅提高功率轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還可減少基底面并降低成本。