SiC热特性测试 电源转换效能更上层楼 - 全文

市场对切换速度、功率、机械应力和热应力耐受度之要求日益提升，而硅元件理论上正在接近性能上限。宽能带隙半导体元件因电、热、机械等各项性能表现具佳而被业界看好，被认为是硅半导体元件的替代技术。

在这些新材料中，相容硅技术制程的碳化硅（SiC）是最有前景的技术。碳化硅材料的电气特性使其适用于研制高击穿电压元件，但是，远高于普通硅元件的制造成本限制了其在中低压元件中的推广应用。在600V电压范围内，硅元件的性能非常好，CP值优于碳化硅元件。不过，应用要求晶片有更高的性能，而硅元件已经达到了极限。

本文评测了主切换采用意法半导体新产品650V SiC MOSFET的直流-直流升压转换器的电热特性，并将SiC碳化硅元件与新一代硅元件做了全面的比较。测试结果证明，新SiC碳化硅切换元件提升了切换性能的标杆，让系统具更高的效能，对市场上现有的系统设计影响较大。

最近几年，人们更加关注环境、效能和污染问题，导致电气效能标准趋严，这不只限于大功率应用，还包括低负载应用。现在，切换频率可以更高，同时切换损耗可以降至更低，本文介绍的650V碳化硅电晶体适用于应用场景。如表1所示，碳化硅的宽能带隙使电力元件具有很多优异的特性。

碳化硅的宽能带隙使电力元件具有很多优异的特性

更高的关键应用可使用掺杂程度更高的超薄裸片，其损耗相较其他晶片低很多。碳化硅热导率较硅元件高出很多，因此，功率损耗散热导致的温降在整个元件上都比较低。因为碳化硅的熔点温度更高，可以工作在400℃范围内，这些特性让人们更加看好碳化硅元件在切换速度、损耗、RDS（on）导通电阻、击穿电压方面的性能表现。事实上，击穿电压高于1，200V的碳化硅元件深受市场欢迎。是否选择超高击穿电压的碳化硅元件，不仅要考虑电气特性，还要考虑碳化硅的制造成本。对于600V电压以下碳化硅产品，以前市面上只有2吋或3吋碳化硅晶圆片，而且生产设备非常昂贵，因此，碳化硅元件的CP值不如硅元件。现在4吋和6吋碳化硅晶圆片十分常见，市场对碳化硅元件需求成长可以让厂商降低制造成本。600V SiC MOSFET开始出现在市面上，具有令人感兴趣的特性，适用于各种应用领域。

650V SiC克服MOSFET性能极限

如前文介绍，硅功率MOSFET元件的性能正在接近极限。意法半导体开发出一个60兆欧姆/650V SiC MOSFET产品原型，克服了600V功率MOSFET性能极限。为证明这款650V SiC MOSFET的优势，我们将其与当前最先进的超接面功率MOSFET对比。表2列出了这两种对比元件的电气参数。为了使测试条件具有可比性，我们选择两款150℃时RDS（on）参数相似的硅元件和碳化硅元件。

列出了这两种对比元件的电气参数。

不难发现，RDS（on）参数对应的热导系数不同。如图1所示，碳化硅元件的RDS（on）基本上与温度无关，最高阶面温高于同级的硅元件，这让工作温度更高，而不会导致损耗增加。切换损耗亦是如此（见图2）。 两个元件的另一个差别是驱动这两个元件完全导通需要不同的栅极电压，硅MOSFET是10V，碳化硅MOSFET是20V。

图1 归一化Ron SiC MOSFET与硅MOSFET对比

图2 SiC Eoff-温度曲线

我们在一个标准升压转换器（图3）内对比分析650V SiC MOSFET与先进的硅元件，为了解650V SiC MOSFET的特性，我们使用100kHz和200kHz切换频率进行对比。

图3 升压转换器

测试条件如下：

VIN=160V，VOUT=400V，

POUTmax=1600W，占空比=60%，升压二极体为碳化硅STPSC2006。

栅极驱动条件：

硅MOSFET：VGS=0/10V，RG（on）=5.6Ω，RG（OFF）=2.2Ω

碳化硅MOSFET：VGS=0/20V，RG（on）=

5.6Ω，RG（OFF）=2.2Ω

为降低外部因素对测试结果的影响，我们选用了封装（TO247）相同的硅MOSFET和碳化硅MOSFET，安装相同的空气冷却式散热器，记录并比较在各种负载条件下的效能。如图4所示，在fsw=200kHz时，碳化硅MOSFET的切换特性优于硅元件（100kHz开关频率亦是如此），从图5的效能和热曲线不难看出，碳化硅MOSFET的切换特性明显优于硅元件。

图4 开关损耗

图5 满负载时的效能与温度

在100kHz和200kHz开关频率时，两个测试显示，碳化硅MOSFET效能更高，且封装温度更低。从图中不难看出，当高频率切换时，碳化硅的优势比较突出。

新650V碳化硅MOSFET是高能效系统的最新产品。在硬切换应用中，这款产品能够提升效能，其采用新的热管理方法，有效提升功率/立方厘米。对于其固有参数，这款产品将能够用于软切换应用，这是将来的研发目标。