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摘要 本文評測了主開關(guān)采用意法半導體新產(chǎn)品650V SiC MOSFET的直流-直流升壓轉(zhuǎn)換器的電熱特性，并將SiC碳化硅器件與新一代硅器件做了全面的比較。測試結(jié)果證明，新SiC碳化硅開關(guān)管提升了開關(guān)性能標桿，讓系統(tǒng)具更高的能效，對市場上現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計影響較大。 前言 市場對開關(guān)速度、功率、機械應(yīng)力和熱應(yīng)力耐受度的要求日益提高，而硅器件理論上正在接近性能上限。 寬帶隙半導體器件因電、熱、機械等各項性能表現(xiàn)俱佳而被業(yè)界看好，被認為是硅半導體器件的替代技術(shù)。在這些新材料中，兼容硅技術(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器件，但是，遠高于普通硅器件的制造成本限制了其在中低壓器件中的推廣應(yīng)用。在600V電壓范圍內(nèi)，硅器件的性能非常好，性價比高于碳化硅器件。不過，應(yīng)用要求芯片有更高的性能，而硅器件已經(jīng)達到了極限。最近幾年，人們更加關(guān)注環(huán)境、能效和污染問題，導致電氣能效標準趨嚴，這不只限于大功率應(yīng)用，還包括低負載應(yīng)用。現(xiàn)在，開關(guān)頻率可以更高，同時開關(guān)損耗可以降至更低，本文介紹的650V碳化硅晶體管特別適合這種應(yīng)用場景。 第一章 表1是4H SiC碳化硅器件與硅器件的特性比較表。如表1所示，碳化硅的寬帶隙使電力電子器件具有很多優(yōu)異特性。 表1. 碳化硅與硅材料特性比較 
更高的關(guān)鍵應(yīng)用準許使用摻雜程度更高的超薄裸片，使其損耗比其它芯片低很多。碳化硅熱導率比硅器件高出很多，因此，功率損耗散熱導致的溫降在整個器件上都比較低。因為碳化硅的熔點溫度更高，可以工作在400 °C范圍內(nèi)，這些特性讓人們更加看好碳化硅器件在開關(guān)速度、損耗、Rdson導通電阻、擊穿電壓方面的性能表現(xiàn)。事實上，擊穿電壓高于1200V的碳化硅器件深受市場歡迎。是否選擇超高擊穿電壓的碳化硅器件，不僅要考慮電氣特性，還要考慮碳化硅的制造成本高于硅器件。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，碳化硅器件的性價比不如硅器件。今天，4吋和6吋碳化硅晶圓片非常常見，市場對碳化硅器件需求增長可以讓廠商降低制造成本。600V SiC MOSFET開始出現(xiàn)在市場上，具有令人感興趣的特性，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。 新器件: 650V SiC MOSFET 如前文介紹，硅功率MOSFET器件的性能正在接近極限。意法半導體開發(fā)出一個60兆歐姆 /650 SiC MOSFET產(chǎn)品原型，克服了600V功率MOSFET的性能極限。為證明這款650V SiC MOSFET的優(yōu)勢，我們將其與當前最先進的超結(jié)功率MOSFET對比。表 2 列出了這兩種對比器件的電氣參數(shù)。為了使測試條件具有可比性，我們選擇兩款150°C時RDSon參數(shù)相似的硅器件和碳化硅器件。 表2.
不難發(fā)現(xiàn)，Rdson參數(shù)對應(yīng)的熱導系數(shù)不同。如圖1所示，碳化硅器件的Rdson基本上與溫度無關(guān)，最高結(jié)溫高于同級的硅器件，這準許工作溫度更高，而不會導致?lián)p耗增加。開關(guān)損耗也是如此，見圖2。
圖1：歸一化Ron SiC MOSFET與硅MOSFET對比
圖2：SiC Eoff-溫度曲線 兩個器件的另一個重差別是驅(qū)動這兩個器件完全導通需要不同的柵電壓，硅MOSFET是10V，碳化硅MOSFET是20V。 案例研究: 升壓轉(zhuǎn)換器 我們在一個標準升壓轉(zhuǎn)換器（圖3）內(nèi)對比分析650V SiC MOSFET與先進的硅器件，為了解650V SiC MOSFET的特性，我們用100 Khz和200KHz開關(guān)頻率進行對比。
圖3：升壓轉(zhuǎn)換器 測試條件如下: VIN=160V，VOUT=400V，POUTmax=1600W，占空比=60%，升壓二極管 = 碳化硅STPSC2006。柵驅(qū)動條件: • 硅MOSFET: VGS=0/10V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω • 碳化硅MOSFET: VGS=0/20V, RGON=5.6Ω, RGOFF=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載條件下的能效。如圖4(a)和(b)所示，在fsw=200KHz時,碳化硅MOSFET的開關(guān)特性優(yōu)于硅器件(100 Khz開關(guān)頻率也是如此)，從圖5 (a)和(b)的能效和熱曲線不難看出，碳化硅MOSFET的開關(guān)特性明顯優(yōu)于硅器件。
圖4(a)Eoff，開關(guān)損耗
圖4(b)Eon，開關(guān)損耗
圖5(a)滿負載時的能效
圖5(b)滿負載時的溫度 在100 Khz和200 KHz開關(guān)頻率時，兩個測試顯示，碳化硅MOSFET能效更高，封裝溫度更低。從圖中不難看出，當高頻率開關(guān)時，碳化硅的優(yōu)勢比較突出。 結(jié)論 新650V碳化硅MOSFET是面向高能效系統(tǒng)的最新產(chǎn)品。在硬開關(guān)應(yīng)用中，這款產(chǎn)品能夠提高能效，采用新的熱管理方法，提高了功率/立方厘米比。對于其固有參數(shù)，這款產(chǎn)品將能夠用于軟開關(guān)應(yīng)用，這是將來的研發(fā)目標。 參考文獻 [1] A. Elasser, M. H. Kheraluwala, M. Ghezzo, R. L. Steigerwald, N. A. Evers, J. Kretchmer, T. P. Chow “A Comparative Evaluation of new Silicon Carbide Diodes and State-of-the-Art Silicon Diodes for Power Electronic Applications, ” in IEEE Transactions on Industry Apllications, vol. 39, no. 4, pp. 915-9215, July/August 2003. [2] Callaway J. Cass, Yi Wang, R. Burgos, T. Paul Chow, F. Wang and D. Boroyevich, “Evaluation of SiC JFETs for a Three-Phase Current-Source Rectifier with High Switching Frequency,” in APEC 2007 Applied Power Electronics Conference, 2007, pp. 345-351. [3] F. Qi, L.Fu, L. Xu, P. Jing, G. Zhao, J. Wang “Si and SiC Power MOSFET Characterization and Comparison, ” in Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2014 IEEE Conference and Expo, pp. 1-6, 2014. |
