三代進(jìn)化，安森美 EliteSiC MOSFET 技術(shù)發(fā)展解析

SiC 器件性能表現(xiàn)突出，能實(shí)現(xiàn)高功率密度設(shè)計(jì)，有效應(yīng)對(duì)關(guān)鍵環(huán)境和能源成本挑戰(zhàn)，也因此越來(lái)越受到電力電子領(lǐng)域的青睞。與硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 相比，SiC 器件的運(yùn)行頻率更高，有助于實(shí)現(xiàn)高功率密度設(shè)計(jì)、減少散熱、提高能效，并減輕電源轉(zhuǎn)換器的重量。其獨(dú)特的材料特性可以減少開關(guān)和導(dǎo)通損耗。與 Si MOSFET 相比，SiC 器件的電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度更高、能量帶隙更寬且熱導(dǎo)率更優(yōu)，有利于開發(fā)更緊湊、更高效的電源轉(zhuǎn)換器。

安森美 (onsemi)的 1200V 分立器件和模塊中的 M3S 技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。M3S MOSFET 的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗均較低，提供 650 V 和 1200 V 兩種電壓等級(jí)選項(xiàng)。本白皮書側(cè)重于探討專為低電池電壓領(lǐng)域的高速開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的先進(jìn) onsemi M3S 650 V SiC MOSFET 技術(shù)。通過(guò)各種特性測(cè)試和仿真，評(píng)估了 MOSFET 相對(duì)于同等競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的性能。本文為第一篇，將重點(diǎn)介紹SiC MOSFET的基礎(chǔ)知識(shí)、M3S 技術(shù)和產(chǎn)品組合。

簡(jiǎn)介

雖然 SiC 器件已在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用多年，但在汽車行業(yè)的應(yīng)用仍處于早期階段。該器件廣泛用在各種電動(dòng)汽車器件中，例如主驅(qū)逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、輔助電源裝置等。SiC MOSFET 為車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，包括更低的開關(guān)和導(dǎo)通損耗、更高的效率和功率密度以及更寬的溫度范圍。

SiC MOSFET 的另一個(gè)車載應(yīng)用場(chǎng)景是車載充電器 (OBC)。目前，大多數(shù)電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 都配備了車載充電器，可以通過(guò)插座或交流充電站為電池充電。使用 SiC 器件替代基于 Si 的電源 MOSFET 可以提高車載充電器的功率密度和能效，同時(shí)相關(guān) SiC 系統(tǒng)的成本也比基于 Si 的車載充電器更低 [1]。

在設(shè)計(jì)車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器時(shí)，工程師總是難以妥善調(diào)整 SiC 器件并充分發(fā)揮該技術(shù)的潛力。為了減小磁性器件的體積并提高變換器的性能，可以提高電源器件的開關(guān)頻率。得益于 SiC 的材料特性，與 Si MOSFET 和 IGBT 相比，其開關(guān)和導(dǎo)通損耗更低 [2]。

M3S 技術(shù)和產(chǎn)品組合

a. 技術(shù)說(shuō)明

安森美 EliteSiC MOSFET 技術(shù)歷經(jīng)了三代發(fā)展。第一代 M1 采用經(jīng)典的平面 DMOS 結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵尺寸適中，標(biāo)志著安森美首次進(jìn)軍 SiC MOSFET 市場(chǎng)。

第二代 M2 實(shí)現(xiàn)了重大進(jìn)展。布局從正方形轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)的六邊形，從而提高了單元電芯密度。此外，襯底減薄 70% 以上，有效降低了寄生電阻，使特定導(dǎo)通電阻 (RSP) 下降 20%。

第三代 M3 引入了更多創(chuàng)新。先前的方形和六邊形幾何單元電芯被條形設(shè)計(jì)所取代，大幅減小了單元電芯間距。與 M2 相比，此次改進(jìn)使 RSP 又降低 30%。M3 技術(shù)部署到了兩種特定應(yīng)用的產(chǎn)品中：M3S 和 M3E/M3T。M3E 產(chǎn)品旨在滿足主驅(qū)逆變器應(yīng)用的要求，短路耐受時(shí)間約為 1.5 μs，但這是以犧牲 RSP 為代價(jià)的。另一方面，本文重點(diǎn)介紹的 M3S 實(shí)現(xiàn)了超低 RSP，并且不受短路耐受時(shí)間的限制，是車載充電器和高壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等高速應(yīng)用的理想選擇。

圖 1. EliteSiC MOSFET 的技術(shù)演進(jìn)

b. 產(chǎn)品組合

M3S 650 V SiC MOSFET 器件用于競(jìng)爭(zhēng)激烈且成本敏感的 400 V 電動(dòng)汽車市場(chǎng)，可廣泛應(yīng)用于車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

該器件有三種不同的封裝選項(xiàng)（TO-247-3、TO-247-4 和 D2Pak），導(dǎo)通電阻分別為 23 mΩ 和 32 mΩ。三種封裝的電容相似，而功耗 (PD) 和結(jié)至外殼熱阻 (RθJC) 略有差異。三引腳和四引腳 TO-247 之間的區(qū)別在于，通過(guò)開爾文源連接，四引腳版本的開關(guān)性能更佳。使用第四個(gè)驅(qū)動(dòng)源引腳可將柵極環(huán)路中的寄生電感降至更低。降低漏源電壓尖峰和柵極振鈴可降低 EMI 并提高可靠性。

D2PAK 旨在幫助降低寄生電感并提高機(jī)械穩(wěn)健性，其緊湊的尺寸可實(shí)現(xiàn)高集成度和高密度設(shè)計(jì)。然而，與 TO-247 封裝相比，D2PAK 的熱管理設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。TO-247 封裝支持將其散熱焊盤直接連接到散熱片。然而，D2PAK 的散熱焊盤焊接到印刷電路板 (PCB) 上，然后連接到散熱片，從而在路徑中引入了額外的熱阻。

表 1. M3S 650 V SiC MOSFET 已發(fā)布產(chǎn)品

參考文獻(xiàn)

[1]     B.Shi, A.Ramones, Y.Liu, H.Wang, Y.Li, S.Pischinger, J.Andert, “A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development” in IET Power Electronics, vol. 16, no. 12, 2017. https://doi.org/10.1049/pel2.12524.

B.Shi、A.Ramones、Y.Liu、H.Wang、Y.Li、S.Pischinger、J.Andert，“電動(dòng)汽車中碳化硅 MOSFET 的綜述：應(yīng)用、挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展”(A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development)，《IET Power Electronics》，第 16 卷，第 12 期，2017 年。https://doi.org/10.1049/pel2.12524。

[2]     J. Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D. Callegaro, J. Reimers and A. Emadi, “A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles,” in IEEE Access, vol. 9, pp. 51501-51518, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3069448.

J.Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D.Callegaro、J. Reimers 和 A. Emadi，“電動(dòng)汽車雙向車載充電器綜述”(A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles)，《IEEE Access》，第 9 卷，第 51501-51518 頁(yè)，2021 年，doi：10.1109/ACCESS.2021.3069448。

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