揭开SiC MOSFET挑战的神秘面纱

碳化硅 (SiC) MOSFET 提供了巨大的新特性和功能，但它们也带来了新的挑战。ROHM 半导体器件使工程师能够充分利用 SiC MOSFET，同时克服驱动它们的挑战。

扩展MOSFET 的能力

晶体管作为数字电子产品的构建块间歇性地存在。基于半导体的晶体管的发明，取代了用于电气开关的真空管，使人类在技术上取得了一些最终的飞跃。

电子产品中最常见的晶体管类型是 MOSFET 晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。这些晶体管利用半导体材料的特殊特性，允许小电流信号控制有时大得多的电流信号的开关。一种类型的MOSFET，在电力电子电路中用作开关，它经过专门优化，可承受高电压并以最小的能量损失通过负载电流。

一种新的化合物半导体材料碳化硅 (SiC) 与硅相比，在制造这些功率开关 MOSFET 方面具有多项优势，而且非常坚硬。SiC 的击穿电场强度是其 10 倍，带隙是 3 倍，并且能够实现器件构建所需的各种 p 型和 n 型控制。碳化硅的热导率是硅的 3 倍，这意味着冷却能力是硅的 3 倍。

图 1：半导体材料比较（碳化硅与硅与氮化镓）

碳化硅又称金刚砂，是一种由硅和碳组成的化合物半导体。它在自然界中作为一种称为莫桑石的稀有矿物出现，但自 19 世纪以来一直作为磨料大量生产。碳化硅直到最近才进入能够高速运行的高温、高压半导体器件的批量生产。

SiC MOSFETS 日益普及

因此，用碳化硅构建的 MOSFET 比单独使用硅的性能有了显着的进步。碳化硅 MOSFET 具有更高的击穿电压、更好的冷却和温度耐受性，因此可以做得更小。IGBT（绝缘栅双极晶体管）主要用于 600V 以上的开关电压，但碳化硅材料使 MOSFET 可用于 1700V 和更高的电流。SiC MOSFET 的开关损耗也比 IGBT 低得多，并且它们可以在更高的频率下运行。

图 2：SiC MOSFET 相对于 Si MOSFET 和 IGBT 的优势

由于这些和其他优点，碳化硅 MOSFET 越来越多地用于工业设备的电源和高效功率调节器的逆变器/转换器。

罗姆的解决方案

但 SiC MOSFET 也带来了新的电路设计挑战。最重要的是，它们需要高电流栅极驱动，以快速提供所需的全部栅极电荷 (Qg)。碳化硅 MOSFET 仅在由推荐的 18V 至 20V 栅极至源极 (Vgs) 电压驱动时才表现出低导通电阻，该电压明显高于驱动硅 MOSFET 或 IGBT 所需的 10V 至 15V Vgs。

ROHM 提供了两种互补的解决方案来应对驱动 SiC MOSFET 带来的挑战。首先是他们最新的 SiC MOSFET 器件的新封装创新。第二个是能够驱动高达 20A 的 MOSFET 栅极驱动器器件。这些 ROHM 解决方案共同使工程师能够实现 SiC MOSFET 器件必须提供的所有优势。

具有驱动源引脚的 SiC MOSFET

ROHM 的新型 SiC MOSFET 封装创新增加了一个引脚，以提供与电源分离的驱动源。在传统的 3 引脚 FET 中，由于引脚的电感和流经器件的高负载电流而在源极引脚上产生的电动势有效地降低了晶体管所见的 Vgs。这个较低的 Vgs 抑制了晶体管的完全导通。在具有单独驱动源引脚的新设备中，该引脚提供从栅极驱动器到内部晶体管源的直接访问。从而避免了电源引脚上的电感效应。

图 3：传统 3 引脚 MOSFET 与具有独立驱动源引脚的新封装

具有独立驱动源引脚的 SiC MOSFET 有 4 引脚或 7 引脚封装。4 引脚封装为 TO-247-4L，由 ROHM 部件号 SCT3xxxAR 或 SCT3xxxKR 指定。7 引脚封装为 TO-263-7L，由 ROHM 部件号 SCT3xxxAW7 或 SCT3xxxKW7 指定。

图 4：具有独立驱动源引脚的 SiC MOSFET 封装

图 4：具有独立驱动源引脚的 SiC MOSFET 封装

大电流栅极驱动器

ROHM 具有电流隔离功能的新型晶体管栅极驱动器 ( BM6112 ) 非常适合应对驱动 SiC MOSFET 的独特挑战。它可以驱动高达 20A 的大电流，驱动高达 20V 的栅极电压，并且以小于 150ns 的最大 I/O 延迟完成所有操作。该栅极驱动器具有令人印象深刻的特性和资格，包括 3750 Vrms 隔离、欠压锁定 (UVLO) 和短路保护，使设计人员能够充分利用 SiC MOSFET。

大多数传统 FET 栅极驱动器无法直接驱动 SiC MOSFET，因此它们需要在栅极驱动器和 FET 之间使用缓冲器。然而，BM6112 在大多数情况下可以直接驱动单个 SiC MOSFET。然而，在驱动电源模块时，几乎总是需要栅极驱动缓冲器。

BM6112 符合汽车标准 (AEC-Q100)，适用于汽车、工业逆变器和 UPS 系统应用。

创新救人

SiC 半导体材料的使用代表了 MOSFET 器件技术的飞跃。碳化硅 MOSFET 速度快、电压高、温度高。它们有望在许多应用中取代 IGBT，具有更快的运行速度、更小的尺寸和更低的损耗。通过添加单独的驱动源引脚和用于驱动 SiC MOSFET 栅极的隔离式栅极驱动器 IC 的封装创新，设计人员可以在其设计中充分利用 SiC MOSFET 的优势。

审核编辑：郭婷