SiC FET实现更高水平的设计灵活性的解决方案

为了满足设计人员对更高性能、更高效系统的需求，UnitedSiC 宣布了新的 SiC FET，可实现更高水平的设计灵活性，最显着的是 750 V、6 mΩ 的解决方案，其稳健的短路耐受时间额定值为 5微秒。

UnitedSiC 工程副总裁 Anup Bhalla 采访时表示，R DS（on）达到 6 mΩ在业界是前所未有的，而且扩展到 750 V 的 18 和 60 mΩ 器件组使设计人员具有更大的设计灵活性，以实现最佳的成本/效率权衡，同时保持充足的设计余量和电路稳健性。

碳化硅场效应管

UnitedSiC 已开发出采用共源共栅排列的SiC，适用于需要常断器件的电力电子应用（图 1）。功率 MOSFET 放置在共源共栅配置中的 JFET 顶部，并且将两者封装在一起以实现非常低的热阻。

图 1：UnitedSiC 的 SIC JFET 和 SiC 共源共栅排列 FET

Bhalla指出，这种组合提供了宽带隙技术的所有优势，例如高温操作时的高速和低损耗，但同时提供了具有集成ESD保护的强大栅极驱动。一个优点是栅极驱动特性与MOSFET和IGBT兼容，使其易于集成到现有设计中。使用0至12 V或15 V的传统栅极驱动电压可以安全地驱动所有设备。使用真实的5 V阈值电压，可以保持良好的噪声容限。

在采访中，Bhalla 指出，这些好处是通过品质因数 （FOM） 来量化的，例如R DS（on） × 一个可表示为单位管芯面积传导损耗的量度，因此R DS（on） × E oss / Q oss用于评估硬开关应用。FOM R DS（on） × C oss（tr）另一方面，在软开关应用中至关重要；Bhalla 说，UnitedSiC 器件在 750 V 下的值比在 650 V 下评估的其他解决方案低约 30%。评估 FOM 的选择来自考虑不可能拥有限制 EMI 的理想零电感，从而限制开关频率。

将 SiC FET 与 SiC MOSFET 进行比较时，通道中的电子迁移率要好得多，在相同电阻下允许使用更小的芯片，从而在相同的芯片面积下实现更低的电容和更快的开关或更低的 R DS（on），这是一个关键衡量在给定的性能和成本节约情况下，每个晶圆有更多芯片的潜力。导通电阻和输出电容之间的相互作用由 C oss量化，输出电容在给定额定电压下会产生或多或少的开关损耗。

在图腾柱 PFC 或标准两电平逆变器等硬开关电路中，低 R DS（on）和低输出电容以及接近零的电压可提供卓越的反向恢复电荷 （Q rr ） 和低 E oss /Q oss与以前的版本相比。器件中使用了具有低正向压降 （1.75 V） 的卓越且有弹性的集成二极管。在 LLC 或 PSFB 等高频软开关谐振转换器拓扑中，UnitedSiC 第 4 代 SiC FET 可提高性能。

“在我们的器件中，碳化硅中没有 pn 结体二极管；相反，这是在 MOSFET 中，”Bhalla 说。“对于硬开关应用，SiC FET 的集成体二极管在恢复速度和正向压降方面优于 Si MOSFET 技术。”

通过改进的晶圆减薄工艺和银烧结芯片连接，第 4 代技术降低了从器件到外壳的耐热性。在要求苛刻的应用中，这些特性允许最大功率输出，同时保持最小的芯片温升。

“每一代，我们的芯片都变得越来越小，但我们需要应对的功率水平并没有改变；在所有这些中，烧结技术至关重要，我们将继续改进它，”Bhalla 说。“因此，为了解决第 4 代的散热问题，我们将碳化硅芯片做得更薄；随着芯片变薄，芯片的电阻下降，但热阻也随之降低。然而，由于薄晶片容易破裂，因此处理起来极其困难。在这里，需要大量的工程设计，这表明规划费用减少了，而且我们已经显着降低了 R DS（on）。”

UnitedSiC 的公告包括 SiC FET 750-V 系列的九种新器件/封装选项，额定值为 6、9、11、23、33 和 44 mΩ。所有器件均采用 TO-247-4L 封装，而 18-、23-、33-、44- 和 60-mΩ 器件也采用 TO-247-3L 封装。Bhalla 指出，封装的差异是由于开关模式下的不同电流处理，其中电感可能是一个非常关键的因素。

图 2：具有 5 µs 短路耐受时间额定值的最低 R DS（on） SiC FET

应用

改进的开关和 R DS（on）允许在电动汽车中实现更强大的新应用，例如牵引驱动和车载和非车载充电器，以及可再生能源逆变器、功率因数校正、电信转换器的所有功率转换阶段，以及一般的 AC/DC 或 DC/DC 电源转换。Bhalla 指出，额定电压为 750V 时，400V 或 500V 电池/总线电压应用具有更大的设计灵活性。

“我们的 SiC 器件具有极低的 R DS（on）特性，可将太阳能逆变器和储能等可再生能源设备的散热量限制在最低限度，”Bhalla 说。“从电路保护的角度来看，SiC JFET 的低 R DS（on）使其与低接触电阻继电器和接触器相比非常具有竞争力。”

EV 中还包括将牵引电池电压隔离到 12 V 的下变频步骤，这通常使用 LLC 转换器完成，这是目前最有效的架构。为了获得最佳性能，LLC 转换器在高频下进行谐振开关，而 SiC FET 可能是一个很好的选择。

据 UnitedSiC 称，牵引逆变器可以节省最大功率，并且 SiC FET 可以替代 IGBT。即使使用 SiC 器件，开关频率也保持在 8 kHz 左右，因为磁性元件是电机，它不会随着逆变器开关频率的升高而缩小尺寸。单个 IGBT 及其并联二极管可以被六个并联的 6 米 SiC FET 替代，从而使半导体效率在 200 kW 输出时提高 1.6% 至 99.36%，表明功率损耗降低了 3 kW。

图 3：3.6 kW 图腾柱 PFC 中的 750-V 第 4 代 UnitedSiC FET 性能。彩色条表示使用不同设备的功率损耗，所有这些设备都可以使用，但在满载时提供不同的效率。

据 Bhalla 称，图 3 比较了 3.6 kW 图腾柱功率因数校正 （TPPFC） 电路的许多组件，展示了新型 SiC FET 的设计多功能性。TO-247-4L FET 有 18 米或 60 米的长度可供选择，是 TPPFC 应用的理想选择。图 3 描绘了新型 23、33 和 44 米 750V SiC FET 的性能，它们的峰值效率超过 99.3%。据 UnitedSiC 称，UJ4C075018K4S 是设计人员的理想选择，他们希望最大限度地提高满载效率，同时最大限度地减少热管理需求。如果轻到中负载效率和性价比对客户很重要，UJ4C075023K4S 或 UJ4C075033K4S 是不错的选择。同时，设计人员可以使用 UJ4C075044K4S 和 UJ4C075060K4S 产品为低功耗（例如 1.5 kW）系统和低成本解决方案定制他们的选择。

审核编辑：郭婷