作者：Brandon Becker，营销经理，ROHM Semiconductor

 

电源可以说是下一代电动汽车、替代能源系统和数据中心最关键的部分，工业电源越来越依赖于高效运行来节省能源成本，并提高其子系统/设备的效率。在这些应用中，即使是效率的微小提高也可以产生巨大的电力节约，对于电动汽车来说，也可以缩短充电时间。仅在2020年，美国就有4.7太瓦时用于电动汽车充电。如果各种车载充电器（OBC）和DC充电系统的效率提高了1%，那么全国的总节电量将达到47千兆瓦时，这一数字远远不能忽略不计。而且，鉴于电动汽车、替代能源和大型设施的电力供应只呈上升趋势，节能幅度将更大。

 

所有这些非常理想的功率器件特性导致了在功率谱的许多应用中对SiC MOSFET的需求增加。因此，制造设施和设计公司正通过更新的工艺技术和封装改进来满足这些需求。ROHM的第四代SiC MOSFET比第三代SiC MOSFET的单位面积导通电阻（RonA）降低了40%，而不会牺牲短路耐受时间。这实现了比前几代SiC MOSFET更低的功率损耗和更高的效率。低导通电阻和高开关频率的结合实现了高度小型化和低功耗，这两个参数在现代电力电子应用中非常理想。

 

本文将深入研究SiC MOSFET的演变，以及ROHM如何通过反复改进其内部工艺来实现单位面积最佳导通电阻。它为寻求从第三代器件切换到第四代器件的设计师提供了启发，并检验了第四代SiC MOSFET的应用优势。

 

第四代SiC MOSFET技术综述

 

第四代SiC MOSFET工艺演变 

第四代SiC MOSFET对双沟槽结构进行了进一步改进，使导通电阻和输入电容有了更大幅度的下降（图1）。在不断改进RonA器件的过程中，设计者将面临短路耐受时间（SCWT）更短的权衡，即MOSFET因短路而失效所需的时间。然而，第4代SiC MOSFET不会牺牲短路耐受时间，因此能够在现场以更高的效率、更小的封装和更高的可靠性实现转换器和电源设计。

 

图1：工艺技术的发展改进了沟槽栅极结构，降低了单位面积的导通电阻

 

基本规格

第四代SiC MOSFET包括750 V或1200 V的高漏源极电压（Vds），通态电阻（Rds(on)）范围为13 mΩ 至62 mΩ，以-4V到+23V范围的栅源电压（Vgs）进行简单驱动（表1）。这些器件级改进的主要好处是：

 

● 低功耗设计

● 用户友好的实现方法

● 器件可靠性高

 

表1：ROHM第四代SiC MOSFET的规格

 

低功耗设计
 

降低导通损耗

降低导通电阻（Ron)）可使设计者轻松实现导通损耗和开关损耗的降低。对于具有等效芯片尺寸的芯片，第三代SiC MOSFET的导通电阻为60 mΩ；第四代提高到36 mΩ 。导通电阻降低57%，直接影响由漏源通道导通电阻引起的导通损耗。

 

与第三代相比，使用第四代SiC MOSFET等效芯片尺寸的降压转换器将显著降低导通损耗。图2通过比较两个降压转换器的效率来说明这种降低：一个使用第三代MOSFET，另一个使用第四代MOSFET。在相同的输出功率下，新一代MOSFET的发热量显著减少，从而使导通损耗提高了53%。

 

图2：减少导通损耗可减少热量的产生。这些器件能够在相同的输出功率下更高效地工作

 

降低开关损耗

第四代SiC MOSFET在相同芯片尺寸下的寄生电容也有所降低，这些参数直接影响开关损耗。输入电容（Ciss）随输出电容（Coss）减小15%，反向传输电容（Crss）减小90%。如图3所示，这优化了开关损耗，其中开关波形显示了更急剧的上升和下降时间。降低的栅漏电容（Crss）可实现更快的开关，而显著降低的Crss和Ciss比（Crss/Ciss）可避免自开启。这是因为瞬态栅极电流通过Crss流向栅极电阻，从而提高栅极电压并导致导通。

 

图3：在第四代SiC MOSFET中，开关损耗显著降低，同时所有寄生电容均减小，从而实现更小的器件尺寸

 

ROHM对双沟槽技术的改进直接导致了在更高开关频率下运行的更高效器件。这些因素还使得转换器和电源设计需要更小的散热器和外围器件（例如，设计驱动器、无源器件、磁性器件等）时，能够实现很大程度的小型化。效率的提高导致散热器体积减少了40%，为相同的功率输出节省了尺寸、重量和设计成本。

 

切换到第四代SiC MOSFET对用户的主要好处
 

栅极驱动电路的优化

优化栅极驱动电路非常重要，因为它对器件的损耗有重要影响。这是充分实现SiC器件高速开关特性的必要步骤。通常，推荐的正栅极驱动电压介于15 V和18 V之间，其中导通电阻与第三代SiC MOSFET相比仅变化7%（图4）。在降压转换器设计中，在轻负载条件下，这些栅极电压之间的转换效率没有显著差异。然而，对于重载，18 V电压显示出略高的效率。这使得第四代SiC MOSFET成为当前第三代SiC设计的替代品。

 

图4：第四代SiC MOSFET的推荐栅极驱动电压介于15V和18V之间，其中导通电阻和效率没有显著差异

 

去除负偏压电路

第四代SiC MOSFET具有高栅极阈值电压（Vth）。这避免了低尺寸MOSFET桥式电路拓扑，即使在高温下也会自动开启。这是因为在Vds急剧变化期间，通过Cdg和Cgs的栅极电压（Vgs）波动导致自开启。当Vgs超过Vth时，桥接电路中的低侧MOSFET可能会意外开启。高栅极阈值电压允许这些器件在这些非常常见的电路拓扑中更安全地运行，其中正Vgs浪涌不会超过Vth（图5）。在没有负偏压的情况下，设计工程师能够简化栅极驱动电源电路的设计，并舍弃整个负偏压电路。

 

图5：2.8V的高栅极阈值电压避免了在电压瞬态dVDS/dt引起的栅极电压峰值期间可能出现的自导通常见故障模式

 

根据栅极电阻值增加的设计公差

减轻功率器件中di/dt和dVDS/dt负面影响的一种常用方法是增加栅极电阻（RG）值。然而，调整该值会直接增加开关损耗，并对设计效率产生负面影响。内部栅极电阻（RG_INT）的降低允许更灵活的外部栅极电阻（RG_EXT）值。这是因为总栅极电阻（RG）是内部和外部栅极电阻（RG_INT+RG_EXT）的总和。当比较第三代和第四代SiC MOSFET时，如果外部栅极电阻值保持不变，则相比之下，开关损耗仍然较小。这允许在为设计选择理想RG时具有很大的灵活性。

 

图6：VDS浪涌为580V时的设计示例

 

通过更长的SCWT实现高器件可靠性

如前所述，独特的器件结构改善了单位面积导通电阻（RonA）和短路耐受时间（SCWT）之间的权衡。总的技术趋势说明了一条值得注意的线，大多数功率器件都会下降（图7）。通常，RonA越大，SCWT越长，RonA越小，SCWT越短。这是因为当RonA降低时，饱和电流通常会升高。当饱和电流上升时，短路电流也会上升，从而缩短SCWT。然而，第四代MOSFET不属于这一系列，与第三代MOSET相比，RonA和SCWT以及竞争品牌都有所改进。这种改进是通过降低第四代MOSFET中的饱和电流来实现的。

 

图7：RonA与短路耐受时间（SCWT）

 

结论

ROHM提供了许多评估板和仿真模型，以加快第四代MOSFET的设计和原型制作。其中包括以下内容：

 

1. 1通道栅极驱动板

2. 2 1通道栅极驱动板

3. H侧和L侧栅极驱动板

4. 半桥驱动评估板

 

前三个驱动板都是小型化的，因此它们可以很容易地连接到要评估的客户板上的功率器件（图8）。半桥驱动评估板支持高达250 A、高达500 kHz的开关操作和各种电源拓扑（包括降压、升压和半桥）的双脉冲测试。这些评估板加快了设计和开发过程，以加快上市时间（TTM）。

 

图8：栅极驱动板可连接至功率器件，并可通过提供的仿真模型轻松评估

 

ROHM的第四代SiC MOSFET在导通电阻方面有显著改善，相当于减少了导通损耗。通断损耗（开关损耗）也随着寄生电容的减少而得到改善。这使得终端设计更加高效，功率器件和无源尺寸更小，组件数量也可能减少。

 

所有这些因素综合在一起，使得第四代SiC MOSFET成为市场上的前沿器件，与ROHM较旧的SiC器件、竞争对手SiC器件和传统Si器件相比。在具有严格设计公差和高效设计需求的中高功率应用中使用这些组件是非常可取的。它不仅使产品制造商能够以较低的长期成本生产出更高效、更高质量和性能更好的产品，而且还可以通过使用更简单的电路拓扑彻底降低BOM成本。

 

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