摘要
本文評(píng)測(cè)了主開(kāi)關(guān)采用意法半導(dǎo)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(cè)試結(jié)果證明，新SiC碳化硅開(kāi)關(guān)管提升了開(kāi)關(guān)性能標(biāo)桿，讓系統(tǒng)具更高的能效，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響較大。
前言
市場(chǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)速度、功率、機(jī)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(dǎo)體器件因電、熱、機(jī)械等各項(xiàng)性能表現(xiàn)俱佳而被業(yè)界看好，被認(rèn)為是硅半導(dǎo)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(yuǎn)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(jià)比高于碳化硅器件。不過(guò)，應(yīng)用要求芯片有更高的性能，而硅器件已經(jīng)達(dá)到了極限。最近幾年，人們更加關(guān)注環(huán)境、能效和污染問(wèn)題，導(dǎo)致電氣能效標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)，這不只限于大功率應(yīng)用，還包括低負(fù)載應(yīng)用。現(xiàn)在，開(kāi)關(guān)頻率可以更高，同時(shí)開(kāi)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(chǎng)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(zhǔn)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(dǎo)率比硅器件高出很多，因此，功率損耗散熱導(dǎo)致的溫降在整個(gè)器件上都比較低。因?yàn)樘蓟璧娜埸c(diǎn)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(kāi)關(guān)速度、損耗、Rdson導(dǎo)通電阻、擊穿電壓方面的性能表現(xiàn)。事實(shí)上，擊穿電壓高于1200V的碳化硅器件深受市場(chǎng)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(duì)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(jià)比不如硅器件。今天，4吋和6吋碳化硅晶圓片非常常見(jiàn)，市場(chǎng)對(duì)碳化硅器件需求增長(zhǎng)可以讓廠商降低制造成本。600V SiC MOSFET開(kāi)始出現(xiàn)在市場(chǎng)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(dǎo)體開(kāi)發(fā)出一個(gè)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(shì)，我們將其與當(dāng)前最先進(jìn)的超結(jié)功率MOSFET對(duì)比。表 2 列出了這兩種對(duì)比器件的電氣參數(shù)。為了使測(cè)試條件具有可比性，我們選擇兩款150°C時(shí)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(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)系數(shù)不同。如圖1所示，碳化硅器件的Rdson基本上與溫度無(wú)關(guān)，最高結(jié)溫高于同級(jí)的硅器件，這準(zhǔn)許工作溫度更高，而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加。開(kāi)關(guān)損耗也是如此，見(jiàn)圖2。
圖1：歸一化Ron SiC MOSFET與硅MOSFET對(duì)比 圖2：SiC Eoff-溫度曲線
兩個(gè)器件的另一個(gè)重差別是驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)器件完全導(dǎo)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?cè)谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器（圖3）內(nèi)對(duì)比分析650V SiC MOSFET與先進(jìn)的硅器件，為了解650V SiC MOSFET的特性，我們用100 Khz和200KHz開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行對(duì)比。
圖3：升壓轉(zhuǎn)換器
測(cè)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(dòng)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(duì)測(cè)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(fù)載條件下的能效。如圖4(a)和(b)所示，在fsw=200KHz時(shí),碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)特性優(yōu)于硅器件(100 Khz開(kāi)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(kāi)關(guān)特性明顯優(yōu)于硅器件。
圖4(a)Eoff，開(kāi)關(guān)損耗 圖4(b)Eon，開(kāi)關(guān)損耗
圖5(a)滿負(fù)載時(shí)的能效 圖5(b)滿負(fù)載時(shí)的溫度
在100 Khz和200 KHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，兩個(gè)測(cè)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(dāng)高頻率開(kāi)關(guān)時(shí)，碳化硅的優(yōu)勢(shì)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(kāi)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(duì)于其固有參數(shù)，這款產(chǎn)品將能夠用于軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用，這是將來(lái)的研發(fā)目標(biāo)。
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