干货分享 | 一文了解安世半导体碳化硅MOSFET的过人之处

一般来说，SiC 素有温度稳定性的优势，但是，随着典型器件中的结温升高，R_DSon在整个工作温度范围内通常会增加到 1.6 至 2 倍。例如，某个器件在 25℃ 时 R_DSon 为 40 mΩ，而当结温达到 175℃ 时，R_DSon 可达到 80 mΩ。为克服这一限制，Nexperia（安世半导体）设计了 1200 V SiC MOSFET，使其具有业界少有的低 R_DSon 温度漂移——仅为 1.4 倍（图1）。这意味着，25℃ 时 R_DSon 为 40 mΩ 的 Nexperia SiC MOSFET 在 175℃ 结温时 R_DSon 仅为至 56 mΩ。与其他供应商的类似器件相比，这种出色的温度稳定性具有减少高工作温度下导通损耗的益处。此功能使 Nexperia SiC 器件非常适合要求苛刻的电源转换应用，这些应用通常会经历较高的工作温度，例如电机驱动、充电基础设施、太阳能光伏、UPS 等。

图1：Nexperia 的 SiC MOSFET 具有业界少有的低 R_DSon 漂移

MOSFET 的阈值电压(V_th)是器件安全工作的一个重要指标， 2.5 至 4 V 范围内通常提供可接受的工作裕度。Nexperia 设计的 1200 V SiC MOSFET 阈值电压为 2.9 V，正好处于这个安全工作范围内。虽然阈值电压的实际值很重要，但器件安全工作的一个相关关键参数是阈值电压容差。该参数表示指定的阈值电压的最小值和最大值之间的变化。低阈值电压容差的一个关键优势是，它可以在多个并联的 SiC MOSFET 之间实现高度对称的开关行为，而并联是许多电源应用中的常见布局形式。这种“平衡的并联”减少了单个器件的应力（否则器件可能会在动态开关操作期间经历高电流负载），进而增强电路性能并延长产品寿命。与类似的竞品器件相比，Nexperia 的 SiC MOSFET 的阈值电压变化最低，仅为1.2 V（即使在最坏情况条件下），可确保器件实现出色的平衡并联（图2）。

图2：V_th 的低变化意味着 Nexperia 的 SiC MOSFET 可实现器件的平衡并联

对于 SiC MOSFET 来说，具有低栅极电荷(Q_G)非常重要，因为这可以降低开关操作期间的栅极驱动损耗，还可以降低功耗和对栅极驱动器的其他要求。另外，其他和开关性能密切相关但经常被忽视的指标包括栅漏电荷(Q_GD)和栅源电荷(Q_GS)之间的比率。如果 Q_GD 低于 Q_GS，SiC MOSFET 可提供最稳定的性能（不会产生不必要的米勒导通不稳定性）。Nexperia 设计的 1200 V SiC MOSFET 不仅具有低 Q_G，而且还具有出色的 Q_GD 与 Q_GS 电荷比（图3）。这确保了它们提供低功耗、出色的稳健性和安全开关性能的优异组合。

图3：Nexperia 的 SiC MOSFET 具有低栅极电荷和电荷比

SiC MOSFET 通常用于具有高边和低边 MOSFET 的对称桥配置，即一个器件导通时，另一个器件则关断。为防止发生潜在的破坏性短路，需要一定的“死区时间”（两个器件都处于关断状态的短暂持续时间）。尽管如此，即使在死区时间内，电流也会继续流过MOSFET的体二极管，并且产生的压降高于器件通道导通时的压降。死区时间间隔内升高的压降会带来更高的功率损耗。Nexperia 的 1200 V SiC MOSFET 具有出色的体二极管稳健性，相较于市场上其他类似的 SiC 同类产品，具有更低的正向压降（图4）。在 85℃ 25 A 的工作电流下，Nexperia 的 SiC MOSFET 的压降约为 3.5 V，而其他供应商具有类似 R_DSon 的器件的正向压降通常超过 5 V。因此，与其他具有相同工作条件（和死区时间）的器件相比，Nexperia 的 1200 V SiC MOSFET 的损耗要低得多。这可以防止过度散热，并使设计人员能够灵活地设置应用所需的死区时间。

图4：Nexperia 的 SiC MOSFET 具有低正向压降

结论

SiC MOSFET 相对于同类硅产品的优势众所周知，但随着这些器件的普及，设计人员需要了解不同制造商的 SiC 器件在其提供的性能优势方面存在很大差异。Nexperia 设计的 SiC MOSFET 具有业界领先的指标，包括工作温度范围内超低的R_DSon 漂移、超低阈值电压差、低栅极电荷以及卓越的栅极电荷比和超低正向压降。这些优异的工作参数为电力电子设计人员提供了使用类似竞争器件无法实现的优势。

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作者简介

Sebastian Fahlbusch

Sebastian 在电力电子领域拥有十多年的经验，尤其是在碳化硅(SiC)和宽带隙技术方面。他成功地在汉堡联邦国防军大学完成了有关使用 SiC-MOSFET 的新型多级功率转换器构想的博士学位论文。Sebastian 于 2019 年加入 Nexperia 的产品应用工程师团队，他的主要工作重点是为实现新电源产品提供支持，以强化 Nexperia 的功率产品组合。