隨著DC/DC電源轉換器、電動汽車車載充電器(OBC)、工業電機驅動器、太陽能逆變器以及牽引逆變器等應用對功率密度的需求日益提高，系統的工作溫度也隨之增加。這需要使用能夠在高達175°C溫度下安全運行的元器件。基于寬禁帶材料(如碳化硅，SiC)制造的器件滿足了這一要求，并在這些應用中越來越受歡迎。

然而，即使是SiC MOSFET，在高溫下也會表現出復雜的行為，這通常歸因于諸如柵極閾值電壓(VGS(th))、導通電阻(RDS(on))、漏源漏電流(IDSS)以及柵源漏電流(IGSS)等關鍵參數的微小變化。如果不仔細考慮這些變化，可能會導致電力電子系統意外失效。制造商的器件數據手冊通常不會詳細說明這些參數在高溫下的相互依賴性。本文章旨在通過提供設計SiC DC/DC電源轉換器的關鍵參數指南，解決這一不足，確保器件在高達175°C的溫度下運行。

碳化硅的優勢

在高電壓和高溫應用中，與傳統硅MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)相比，SiC MOSFET具有顯著優勢，使其成為汽車、可再生能源及工業領域的理想選擇。

工程師通常會在應用條件下測試器件的性能，并嘗試在考慮所有降額因素的前提下推動器件性能達到極限。熱設計是其中一個重要的限制因素。

Nexperia通過行業標準方法對性能參數進行了全面測試。圖1(a)顯示了一種典型的雙脈沖測試設置，用于測試器件參數(如RDS(on)、VGS(th)、IGSS和IDSS)并評估開關性能。

使用Keysight 505功率分析儀生成IV曲線。為了在高溫下推動轉換器運行，設計時首先需要考慮的參數是器件的RDS(on)。以下章節將通過比較Nexperia器件與幾家競爭對手器件的RDS(on)參數變化，展示Nexperia器件在嚴格制造工藝控制下的優越RDS(on)穩定性。圖1顯示了RDS(on)隨溫度變化的情況，并與行業競爭對手進行了對比，以了解其差異。圖中，紅線代表Nexperia器件，其RDS(on)增加了38%;而藍線代表的競爭對手C和E的器件分別增加了180%以上和210%以上。RDS(on)的增加會直接導致更高的導通功率損耗，其計算公式為：

P導通損耗 = I2 × RDS(on) (1)

如果RDS(on)翻倍，導通損耗也將翻倍，這會導致器件內部產生更多熱量，從而使器件更接近其熱極限，并增加失效風險。

表1展示了實驗中對多個1200 V、40 mΩ SiC MOSFET的RDS(on)測量結果，包括Nexperia及其五個競爭對手(競爭對手A-E)。數據表明，在25°C到175°C的溫度范圍內，Nexperia的40 mΩ SiC MOSFET的RDS(on)表現出最穩定的性能，其增加幅度僅為1.27到1.55倍，低于其他五個競爭對手。

從實際應用的角度來看，高溫下RDS(on)的顯著增加會極大影響系統的功率損耗和效率(參見圖2中的高溫效率測量結果)，從而影響系統的整體可靠性。這種RDS(on)穩定性突顯了Nexperia器件在苛刻條件下維持高效率的能力。

圖3(a)展示了RDS(on)在不同溫度下的變化情況，其中x軸為RDS(on)(單位：mΩ)，y軸為從第2百分位到第98百分位的變化百分比。測試在25個DUT(測試設備)上進行，VGS = 15 V，覆蓋的溫度范圍為-55°C到175°C。每條線代表一個具體溫度的結果，顯示了RDS(on)的可變性。在較高溫度下，RDS(on)表現出更高的穩定性，125°C到175°C的標準偏差約為1.20 mΩ，確保了在熱應力下的一致性能，并降低了功率損耗風險。這種高溫RDS(on)穩定性提高了功率效率(如圖2所示)。

第二個關鍵參數：VGS(th)

對VGS(th)的嚴格控制可以實現不同器件之間的靜態和動態電流共享。圖3(b)詳細展示了VGS(th)在-55°C到175°C溫度范圍內的變化情況，其中x軸為VGS(th)值(單位：mV)，y軸為從第2百分位到第98百分位的變化百分比。每條顏色線代表一個具體溫度的結果，清楚地展示了RDS(on)如何隨溫度變化。在175°C測試中，VGS(th)的標準偏差最低(S = 56.26 mV)，表明其閾值電壓最穩定。而在-55°C時，VGS(th)的變化最大，標準偏差達到S = 85.78 mV。

更詳細的解釋將在完整論文中給出。圖4(a)和(b)展示了對IDSS和IGSS進行測試的結果，測試涵蓋了75個DUT，并表明了在低溫(-55°C、25°C和125°C以下)與高溫(150°C或175°C)之間的測試數據差異，這主要歸因于漏電流的溫度依賴性。在150°C以下的測試中，IDSS值非常低(72個樣本中<200 nA);而在175°C時，IDSS值在400 nA到800 nA之間，仍在器件額定范圍內。同樣地，在175°C測試中，IGSS值低于10 nA，也在器件額定范圍內。

分析動態開關行為對評估器件在175°C下的性能至關重要。為此，表1中的器件采用雙脈沖配置進行了測試，測試中使用了數據手冊推薦的柵源電壓和外部柵電阻(RGext)。圖5顯示了Nexperia 40 mΩ器件的典型開啟和關斷波形。

結論與未來展望

在高溫條件下(特別是150°C或175°C)，Nexperia的1200 V SiC MOSFET表現出RDS(on)穩定性、VGS(th)、IGSS和IDSS的低變化、較低的開關損耗及更高的DC/DC轉換器效率(見圖2)。這種一致性對于電動汽車牽引逆變器、航空航天電源系統、電網、工業電機驅動器以及其他高溫場景中的性能穩定性尤為重要。

未來的工作包括對17、30、60和80 mΩ，1200 V SiC MOSFET的靜態特性、動態開關性能及DC/DC轉換器效率測試，以展示其在175°C時的效率改進。目標是建立全面的靜態與動態性能數據集，為這些器件的進一步優化提供指導，使其更適用于高溫應用中對穩定性能、功率效率和可靠性的苛刻需求。