UnitedSiC工程副總裁Anup Bhalla

完美的半導體開關永遠近在咫尺又遙不可及，但是人們仍在不斷努力追尋，以期在電動車等重要應用中獲得更高的功率轉換效率。本文探討了SiC FET共源共柵結構是如何提供最佳性能和一系列其他好處的。

如果只能減少幾美分的電費或者對全球CO2排放貢獻不大，那么人們很難響應電子器件的節能號召，但是如果電動車的效率能提高，那么效果就顯而易見了，會有更長的單次充電行駛里程、更輕的重量和更低的行駛成本。現在，車輛電池和功率轉換技術的進步十分明顯，甚至使得部分國家/地區準備限制內燃機車輛的銷售，而大部分最新的車輛技術研發都集中在電動車及其傳動系統上。

尋找完美開關

電動車中裝滿了需要動力的電子器件，從牽引逆變器到車載充電器和輔助電源，比比皆是。無論哪種，要實現高效，都需要使用開關模式技術生成電壓軌，而這需要半導體在高頻下運行。該應用的理想開關應該在打開時電阻接近于零，在關閉時沒有漏電，且擊穿電壓高（圖1）。當開關處于兩種狀態之間的過渡期時，不應有瞬態功耗，且任何殘余損耗導致的開關溫度上升都應該非常小。經過多年發展，推出的半導體技術比以往任何時候都靠近理想狀態，但是人們的期望也有了變化，對理想開關的尋找仍在繼續。

圖1：理想開關

理想開關的候選者

今天的開關選擇多種多樣，IGBT因低導電損耗而受到極大功率應用的青睞，MOSFET則憑借能盡量減小相關組件（尤其是磁性元件）體積和成本的快速開關能力占領了大部分中低功率應用。傳統MOSFET采用硅技術，但是現在，碳化硅（SiC）也因其特有的低動態損耗、低導電損耗和高溫下運行優勢而受到青睞。它向著難以企及的理想開關又邁進了一步，但是還有另一個更好的方法，那就是將SiC JFET與低壓硅MOSFET以共源共柵結構一同封裝，從而獲得所謂的“SiC FET”。簡言之，Si-MOSFET提供簡單的非臨界柵極驅動，同時將常開JFET轉變成常關共源共柵，并附帶一系列勝過硅或SiC MOSFET的優勢。圖2顯示的是SiC FET中的IGBT、平面SiC MOSFET和JFET的基本構造，均為1200V等級。

圖2：IGBT、SiC MOSFET和SiC JFET構造

從圖2中可以清楚地看出，在MOSFET或JFET中，SiC的較高臨界擊穿電壓大幅減薄了漂移層，使其約為IGBT中硅漂移層厚度的十分之一，相應電阻也會較低。硅IGBT通過在較厚的漂移層中注入大量載流子來降低電阻，而這會導致100倍的存儲電荷，在每個開關周期，這些電荷都必須出入漂移層。這會帶來相對較高的開關損耗和不低的柵極驅動功率要求。SiC MOSFET和JFET是單極器件，電荷僅進出器件電容，因而動態損耗要低得多。

現在，將SiC FET與SiC MOSFET比較。SiC FET溝道中的電子遷移率要好得多，因而在相同電阻下，晶粒可以小得多，所以它的電容較低，開關更快，或者在相同晶粒面積A下，導通電阻RDS（ON）較低。因此，性能表征RDS（ON）.A是一個關鍵指標，表明了在給定性能下每個晶圓是否可能得到更多晶粒，以及隨之而來的成本節省，或表明給定晶粒面積下的導電損耗是否能降低。同理，性能表征RDS（ON）.COSS可量化導通電阻和輸出電容之間的相互作用，該值進行了折衷以實現給定額定電壓，從而增減開關損耗。

在保持其他要素不變的情況下，讓每個晶圓產生更多晶粒同時提高開關速度這種兩全其美的好事也有一點不利之處，那就是散熱的面積變小了。碳化硅的導熱系數比硅好3倍，這對散熱有利，而且碳化硅還能在更高的平均溫度和峰值溫度下運行。為了獲得這些優勢，最新一代SiC FET（第四代）采用晶圓減薄法降低了電阻和熱阻，并采用銀燒結晶粒粘接法獲得了比焊料好6倍的導熱系數，最終效果是提升了可靠性，因為結溫低且距離最大絕對值有很大的裕度。

與SiC MOSFET相比，SiC FET有很多優勢，具體優勢因應用而異，但是可以用重要性能表征和特征的雷達圖來總結（圖3）。

圖3：SiC FET在不同應用中的優勢雷達圖

已將多個圖歸一化到UnitedSiC GEN 4 SiC FET的特征中，表明無論高溫還是低溫，它在所有方面都有不凡的性能。

實際結果證實了SiC FET的前景

UnitedSiC已經用圖騰柱PFC級設計證實了SiC FET的有效性，該設計可在連續導電模式下工作并采用“硬”開關，這是典型的電動車車載充電器前端設計。轉換器額定功率為3.6kW，輸入85-264V交流電，輸出390V直流電，在TO-247-4L封裝中安裝了18或60毫歐第四代SiC FET，開關頻率為60kHz。圖4顯示的是系統效率圖，從圖中可以看出，在將一個18毫歐SiC FET用于高頻高低兩側開關位置時，在230V交流電下，效率達到峰值99.37%。在最高的3.6kW輸出下，這些SiC FET一共耗散16W能量，無效能量僅占0.44%，因而需要散出的熱量極少。

圖4：采用SiC FET的圖騰柱PFC級的能效達到99.37%

在電動車中還有一個具備隔離功能的降頻級，可將牽引電池電壓降至12V，它通常與LLC轉換器一同實施，后者是目前實現高能效時的首選拓撲。LLC轉換器在高頻下通過共振方式開關，以實現最高性能，而SiC FET再次成為一個好選擇。在3.6kW下，以500kHz頻率開關時，一對第四代750V 18毫歐MOSFET耗散的功率還不到每個6.5W，其中包括導電損耗、開關損耗和體二極管損耗。

牽引逆變器是節能的重點部件，而SiC FET可以取代IGBT以切實提高能效。開關頻率維持在低水平，通常為8kHz，即使采用SiC器件也是如此，因為磁性元件是發動機，它的體積不會隨著逆變器頻率提高而直接縮小。要實現顯著改進，可以替換一個IGBT及其并聯二極管，例如可以用六個并聯的6毫歐SiC FET來替代，這種方法可以在200kW輸出電壓下將半導體效率提升1.6%，使其達到99.36%，這表示功率損耗降低了三分之一以上，也就是3kW。在更高負載下，也就是車輛行駛時通常會達到的負載下，它的表現會更好，損耗甚至會降至IGBT技術的五分之一到六分之一。所有這些同時還伴隨著低得多的柵極驅動功率和無“拐點”電壓的優勢，因而在輕負載下更好控制。過程中的較低損耗意味著散熱器體積、重量和成本的縮減以及更好的單次充電行駛里程，因而額外花費的半導體單元成本很快就會被抵消。

我們達到盡善盡美了嗎？

沒有一家半導體制造商敢于聲稱它們的開關是完美的，但是既然功率轉換器效率已經超過99%并精確到小數點后，就表示我們正在接近完美開關。這是SiC FET帶來的，而且您可以使用UnitedSiC網站上的SiC FET-JET計算器親自嘗試，它可以計算各種交直流和直流拓撲的損耗。