更高的功率要求、法規要求以及效率和EMI問題的標準正在推動電源對使用開關功率器件的需求，因為它們具有更高的效率和更寬的工作范圍。同時，設計人員一直面臨著降低成本和節省空間的壓力。面對這些要求，我們需要的是傳統硅（Si）基MOSFET的替代品。

碳化硅（SiC）已經成為一個明確的選擇，因為它已經成熟并且是第三代。基于 SiC 的 FET 具有許多性能優勢，特別是在效率、更高的可靠性、更少的熱管理問題和更小的占位面積方面。這些適用于整個功率譜，不需要徹底改變設計技術，盡管它們可能需要一些調整。

本文簡要比較了 Si 與 SiC，介紹了 Wolfspeed 的 SiC 器件示例，并展示了如何開始使用它們進行設計。

碳化硅與硅型場效應管

首先，重要的是要清楚技術和術語：基于SiC的FET是MOSFET，就像它們的硅前輩一樣。從廣義上講，它們的內部物理結構相似，都是具有源極、漏極和柵極連接的三端子器件。

區別正如其名稱所示：基于SiC的FET使用碳化硅作為其基礎材料，而不是單獨的硅。業內許多人將它們稱為碳化硅器件，而省略了MOSFET部分。本文將它們稱為碳化硅場效應管。

為什么使用SiC化合物作為材料？由于各種深層物理原因，SiC具有與硅顯著不同的三個主要電氣特性，每個特性都帶來操作優勢;還有其他更微妙的（圖1）。

圖 1：SiC 的關鍵材料特性與 Si 和 GaN 固體材料之間的近似比較。與Si相比，SiC具有更高的臨界擊穿率，更高的導熱性和更寬的帶隙。

它們是：

更高的臨界擊穿電場電壓約為每厘米2.8兆伏（Mvolts/cm），而0.3 Mvolts/cm，因此在給定的額定電壓下工作可以使用更薄的層，從而大大降低導通電阻。

更高的導熱性，可在橫截面積內實現更高的電流密度。

半導體（和絕緣體）中價帶頂部和導帶底部之間的能量差（eV）更寬，導致高溫下的漏電流較低。因此，SiC二極管和FET通常被稱為寬帶隙（WBG）器件

因此，近似而言，基于SiC的器件可以阻斷比硅器件高十倍的電壓，并且在25°C時，導通電阻為一半或更低時，開關速度可以提高約十倍。 同時，它們能夠在 200°C 而不是 125°C 的更高溫度下工作，從而簡化了熱設計和管理。

柵極驅動器對實現效益至關重要

功率器件在沒有柵極驅動器的情況下無法工作，柵極驅動器將低電平數字控制信號轉換為所需的電流和電壓信號以及功率器件所需的時序（同時還針對大多數類型的外部故障提供一些保護）。對于SiC FET，驅動器必須包括附加功能才能提供以下功能：

將導通和開關損耗以及柵極損耗降至最低。這些損耗包括關斷和導通能量、米勒效應和柵極驅動電流要求。關斷能量是關斷狀態下柵極電阻和柵源電壓的函數。為了減少這些電流，必須從柵極排出更多的電流。實現此目的的方法之一是驅動器在關斷期間對柵極電壓施加負偏置。同樣，通過降低柵極電阻來降低導通能量。

盡量減少米勒效應及其負面影響，其中寄生電容在某些情況下和應用配置下可能會導致意外導通。這種米勒誘導的導通增加了反向恢復能量并增加了損耗。一種解決方案是驅動器具有所謂的米勒箝位保護功能，該功能在功率級切換期間控制驅動電流。

在適當的電壓下提供所需的灌電流和拉電流。SiC 器件通常需要比硅 MOSFET 更高的正偏置柵極驅動（+20 V），以最大限度地降低損耗;它們可能還需要 -2 至 -6 V 之間的負 OFF 柵極電壓。所需的柵極電流由基于柵極電荷 （Qg）、V DD、漏極電流 ID、柵源電壓和柵極電阻的常規計算確定，通常約為幾安培。該電流必須具有足夠的灌電流和拉電流額定值，其壓擺率必須與 SiC FET 的開關速度相稱

對電路板和器件寄生效應（雜散電感和電容）進行建模并最小化，這些寄生效應會導致振蕩、電壓/電流過沖和誤觸發，而這些器件的開關速度較高時，這些寄生效應。硅MOSFET具有一個小的電流“尾部”，可用作阻尼器或緩沖器，以在一定程度上減少過沖和振鈴。SiC MOSFET沒有這個尾部，因此漏極電壓過沖和振鈴可能會更高并引起問題。要減少這些寄生效應，需要仔細注意布局問題，最大限度地減小導體長度，并將驅動器放置在盡可能靠近其功率器件的位置。即使是幾厘米也會產生影響，因為這些雜散電感和電容的影響在SiC FET的較高開關速度下更為明顯。減少振鈴還有第二個好處，因為它減少了與器件驅動側和負載側高速開關相關的EMI的產生。

盡管驅動SiC MOSFET時涉及其他問題，但許多供應商都提供為此目的設計的標準IC，其屬性與SiC器件的特定需求相匹配。請注意，在許多設計中，柵極驅動器和SiC FET必須與低壓電路電氣隔離。這可以通過使用標準元件的光學、脈沖變壓器或電容隔離技術來實現。隔離首先是為了安全起見，以便在電路故障時保護用戶免受高壓的影響，其次是在許多 MOSFET 固有不接地的電路拓撲中，例如橋式配置。

新器件展示性能

第一個商用封裝的SiC MOSEFT，CMF20120D，由Wolfspeed于2011年2015月推出（Wolfspeed是Wolfspeed的功率和RF部門;該名稱于1200年宣布）;碳化硅晶圓在幾年前就已經上市。該器件的額定電壓為 98 V/80 A，導通電阻為 25 mΩ（均為 247?C），采用 TO-2 封裝。Wolfspeed 很快推出了第二代工藝，現在提供第三代 SiC MOSEFT 指定為 C3M 器件（圖 3）。

圖 2：Wolfspeed 第 2 代（左）和第三代（右）SiC 工藝結構的比較顯示出適度的差異，但這些橫截面并未顯示出性能規格的最終改進。

例如，業界首個 900 伏 SiC MOSFET 平臺的成員之一是 C3M0280090J。它針對高頻電力電子應用進行了優化，包括可再生能源逆變器、電動汽車充電系統和三相工業電源（表 1）。

表 1：Wolfspeed C3M0280090J SiC MOSFET 的頂級屬性顯示了其適用于可再生能源逆變器、電動汽車充電系統和三相工業電源。（表源：狼速）

除電壓/電流規格外，該器件還針對低電容的高速開關進行了優化，具有帶驅動器源極連接的低阻抗封裝（圖 3），包括一個具有低反向恢復電荷 （Qrr） 的快速本征二極管，漏極和源極之間的爬電距離很寬 （~7 mm （mm））。

圖 3：Wolfspeed C3M0280090J 采用低阻抗封裝，帶有驅動器源連接。

這款 900 伏平臺可實現更小、更高效的下一代電源轉換系統，其成本與硅基解決方案相當，但規格優越。安全工作區 （SOA） 圖總結了該 SiC FET 的功能（圖 4）。當漏源電壓（VDS）較低時，最大電流受導通電阻限制;在中等VDS下，該器件可在短時間內維持15 A電流。

圖 4：Wolfspeed C3M0280090J 的 SOA 圖顯示了其 I DS 與 VDS 功能。

包裝影響性能

Wolfspeed 還提供三種規格相似的器件——C3M0075120D、C3M0075120K 和 C3M0075120J，但差異很大程度上是由于它們的封裝（圖 5）。

圖 5：Wolfspeed 在三種封裝中提供相同的 1200 伏 SiC FET，規格大致相似但不完全相同。（圖片來源：狼速）

雖然數字提供了事實，但故事還有更多。D 后綴器件采用三端子封裝 （TO-247-3），而 K 后綴采用四端子封裝 （TO-247-4）。這兩款器件以及七端子 J 后綴器件包括一個開爾文源極引腳，可降低柵極電路中 L × di/dt 引起的電壓尖峰的影響。這允許在柵極和源極施加更多電壓，從而實現更快的動態切換。結果表明，當在接近其額定電流時測量器件時，開關損耗可能會降低3.5倍。

評估板、參考設計加速成功

盡管與千兆赫茲頻率RF設計處于頻譜的另一端，但創建在更高電壓和功率范圍內工作的高性能電路仍然需要注意細節。組件和布局的每一個微妙之處和特質都被放大了，物理電路對最小的問題和疏忽都是無情的。

為了幫助設計人員評估 C3M0075120D 和 C3M0075120K 等 SiC FET，Wolfspeed 提供了 KIT-CRD-3DD12P 降壓-升壓評估套件，以演示這些器件的高速開關性能。它設計用于接受 C3M0075120D 的三端子封裝以及其他相同 C3M0075120K 的四端子封裝。這使設計人員能夠測試和比較 Wolfspeed 第 3 代 （C3M） MOSFET 在各種封裝中的性能。

該評估套件采用半橋配置，允許在上下位置添加 MOSFET 或二極管，因此該板可以配置為常見的功率轉換拓撲，如同步降壓或同步升壓。它還允許在頂部或底部位置添加二極管，因此用戶可以評估異步降壓或異步升壓轉換器拓撲。

此外，為了降低功率損耗，該套件還配備了一個由“sendust”組成的低損耗電感器。這種磁性金屬粉末也稱為Kool Mμ，由85%的鐵，9%的硅和6%的鋁組成，由于其改進了關鍵磁性和溫度參數的規格，因此被用作坡莫合金的替代品。

對于需要設計自己的柵極驅動器子電路的用戶，Wolfspeed 還為這些第三代 SiC FET 提供了 CGD15SG00D2 柵極驅動器參考設計（圖 3）。

CGD8SG15D00的高級框圖（圖2）顯示了該參考設計的功能，包括光耦合器（U1）、柵極驅動器集成電路（U2）和隔離電源（X1）。光耦合器（5000 V 交流隔離）接受脈寬調制 （PWM） 信號，并提供 35/50 kV/微秒 （μs）（最小值/典型值）的共模抗擾度。其他值得注意的功能包括：

一個凹槽，用于增強印刷電路邏輯側和電源側之間的規定爬電距離規格，以及電路板初級電路和次級電路之間的 9 mm 爬電距離增強槽。

2 W 隔離電源，支持在更高頻率下運行較大的 MOSFET。

使用專用二極管分離柵極導通和關斷電阻，允許用戶自定義和優化導通和關斷信號。

邏輯電源輸入端的共模電感器可增強 EMI 抗擾度。

結論

與傳統的硅MOSFET相比，Wolfspeed的第三代碳化硅MOSFET在功率開關應用的效率和熱能力方面具有顯著的性能優勢。當與合適的驅動程序結合使用時，它們可為新興和已建立的應用提供可靠、一致的性能。

審核編輯：郭婷