充分挖掘SiCFET的性能

在电源转换这一语境下，性能主要归结为两个互为相关的值：效率和成本。仿真结果和应用实例表明，SiC FET 可以显著提升电源转换器的性能。了解更多。

这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布，该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商，它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。

“性能” 是一个很主观的词，它可以有各种不同的衡量方式。不过，在电源转换这一语境下，性能主要归结为两个互为相关的值：效率和成本。众所周知，硅作为一种半导体开关材料，在传导和动态损耗方面都已接近其性能极限。于是，性能更佳的碳化硅和氮化镓宽带隙技术越来越多地进入了人们的考量范围。这些材料具有更好的介质击穿特性，可以打造更薄、掺杂更重、导通电阻更低的阻挡层，同时，更小的晶粒尺寸还可以降低器件电容和动态损耗。虽然与硅相比损耗较低，但实际上，宽带隙器件也有某些方面较差，如 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 晶体管通常需要严格控制栅极驱动条件才能实现更优性能。这些器件与硅开关相比还有许多令人头疼的差异，如 SiC MOSFET 栅极阈值的可变性和迟滞，以及 GaN 缺少雪崩额定值。

实际开关接近理想开关，却不一定有巨大的飞跃。如果简单的垂直沟槽 SiC JFET 与硅 MOSFET 相结合，可以获得更低的标准化整体损耗、一个简单的非临界栅极驱动和一个有高雪崩和短路额定值的可靠部件。该器件是 SiC FET 共源共栅，如图 1（右）所示，与左侧的 SiC MOSFET 形成对比。SiC MOSFET 中的沟道电阻 Rchannel 被 SiC FET 中低压硅 MOSFET 的电阻所取代，后者的反转层电子迁移率要好得多，因此损耗也更低。SiC FET 的晶粒面积相对较小，尤其是顶部堆叠共封装 Si MOSFET 的情况下。

图 1：SiC MOSFET（左）和 SiC FET（右）架构对比

在现实生活中，对比性能最好通过 “品质因数” (FoM) 进行，结合考虑特定晶粒尺寸在不同应用中的导电和开关损耗，晶粒尺寸对于每个晶圆的产量和相关成本很重要。图 2 显示了对比可用的 650V SiC MOSFET 与 UnitedSiC 的 750V 第 4 代 SiC FET 之后做出的选择。RDS(ON) xA，即单位面积的导通电阻，是一个关键 FoM，数值低则表明晶粒面积较小，特定损耗性能下每个晶圆的产量较高。另一个 FoM 是 RDS(ON)xEOSS，即导通电阻与输出开关能量的乘积，表征了导电和开关损耗之间的权衡，这在硬开关应用中很重要。FoM RDS(ON)xCOSS (tr) 将导通电阻与跟时间有关的输出电容相关联，表示在高频软开关电路中的相对效率性能。还有一个重要比较是整体二极管的前向压降。在 SiC FET 中，VF 是 Si MOSFET 体二极管压降与第三象限 JFET 电阻压降之和，约为 1 到 1.5V。对于 SiC MOSFET，该参数值可能超过 4V，在电流通过整体二极管换向的应用中，会导致开关死区时间内有显著导电损耗。图中所示的导通电阻相关 FoM 是 25°C 和 125°C 下的值，表明在现实生活条件下，SiC FET 的性能非常出色。

图 2：SiC FET 和 SiC MOSFET 的 FoM 比较

也许最能证明 SiC FET 性能的情况是在典型应用，即图腾柱 PFC 级中。长期以来，该电路被认为是交流线路整流与功率因数校正结合后的潜在高效解决方案，但是大功率和硅 MOSFET 技术下的硬开关会产生不可接受的动态损耗。SiC FET 解决了这个问题，而且 UnitedSiC 提供的 3.6kW 演示工具表明在 230V 交流电下会达到 99.3% 的峰值效率，这使得 80+ 钛金系统额定效率更容易实现（图 3）。电路“快速支路”的两个 18 毫欧 SiC FET 功耗只有 8W，而硅 MOSFET 用作“慢支路”中的同步交流线路整流器。它们可以被硅二极管取代，让解决方案的成本更低，同时仍实现99% 以上的效率。该图还显示了使用并联的 60 毫欧 SiC FET 实现的结果，或每个快速支路开关使用一个 18 毫欧 SiC FET 实现的结果。

图 3：使用 SiC FET 在 3.6kW TPPFC 级实现的效率

使用 UnitedSiC 的 “FET-Jet” 计算器，可以轻松选择合适的 SiC FET 部件以实现出色性能。它是免费使用的 Web 工具，用户可以从各种整流器、逆变器和隔离和非隔离 DC/DC 拓扑中选择其拟定设计。然后输入工作规格，并从 UnitedSiC 的一系列 SiC FET 和二极管中选择器件。该工具可以立即计算效率、组件损耗以及导电和开关损耗占比、结温上升等。支持并联器件效应，还可以指定实际散热器性能。

仿真结果和应用实例表明，SiC FET 可以显著提升电源转换器的性能。我一开始就说过，成本也是一个因素，当考虑系统效应时，SiC FET 也能胜出，其较高的效率和较快的开关速度可以削减散热和磁性组件的尺寸与成本，从而降低系统的整体平衡和拥有成本。