为什么EliteSiC M3S技术是高速开关应用的更优选择？-电子发烧友网

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作者：Fatih Cetindag，安森美汽车电源部应用工程师

碳化硅 (SiC) 具有比硅 (Si) 更高的介电击穿场强、能带隙和热导率，电力电子设计人员可以利用这些特性来开发比硅基IGBT器件效率更高、功率密度更大的电源转换器。针对这些应用，为了最大限度地减少高频下的导通和开关损耗，需要使用低R_DS(on)和低Q_rr（体二极管反向恢复电荷）的器件。

本文将介绍三相功率因数校正 (PFC) 转换器的器件特性测试和仿真结果，转换器使用两款TO247-4L封装的不同SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管) 实现。被测器件之一来自安森美 (onsemi) 新推出的EliteSiC M3S系列，其针对低开关损耗进行了优化，另一款被测器件来自竞争对手，其基本参数如表1所示。本文还讨论了器件参数如何影响相对性能。

了解MOSFET用作开关时的功率损耗

开关器件中的功率损耗可分为导通损耗和开关损耗。由于电流或电压不可能瞬时改变电平，因此存在上升和下降时间，开关损耗也就随之产生。对于功率 MOSFET 的电压和电流，上升和下降时间取决于器件寄生电容的充放电速度。此外，体二极管的反向恢复电荷也会造成开关损耗。另一方面，当器件“开启”传导电流时，器件会有导通损耗。器件的动态参数决定开关损耗，而导通损耗则与静态参数有关。通过研究这些参数，设计人员可以深入了解器件性能与功率损耗大小的关系。影响开关损耗的主要参数是器件电容（C_oss、C_iss和C_rss）和体二极管反向恢复电荷 (Q_rr)。相比之下，造成导通损耗的主要因素是R_DS(on)和V_SD（体二极管压降）。

动态特性测试

首先，在不同条件下使用双脉冲测试装置进行动态特性测试，以比较每个MOSFET的关键参数，如图1所示。然后进行三相PFC仿真，以比较每个MOSFET的整体系统效率。

图 1：双脉冲测试电路简化示意图

表1：两款被测器件的资料手册信息

静态参数比较

R_DS(on)和V_SD（体二极管压降）是最重要的静态参数，我们在多种测试条件下进行了测试。安森美NVH4L022N120M3S与竞争对手A的备选SiC MOSFET进行了对比测试。表2中总结的结果表明，在所有测量的温度和电流下，安森美NVH4L022N120M3S性能更优越，其V_SD均更低。根据这些结果可知，其导通损耗更低。

表2：不同测试条件下V_SD的比较

R_DS(on) 是另一个可用于预测器件导通损耗的关键参数。因此，在25°C和175°C结温下对两个器件的R_DS(on)参数进行了测定。R_DS(on)的测量在15V和18V两种栅源电压下进行，使用300μs的导通脉冲宽度。测试结果表明，竞争产品A在每种测试条件下的R_DS(on)都略低，这说明在给定结温下，其导通损耗低于M3S。

图2：两个MOSFET在25°C（左）和175°C（右）下的R_DS(on)比较

动态参数

SiC MOSFET中不存在少数载流子，因此尾电流不会像在Si IGBT中那样影响性能，结果是关断损耗显著降低。此外，SiC器件具有比Si MOSFET更低的反向恢复电荷，因此峰值导通电流更小，导通损耗更低。输入电容(C_iss)、输出电容 (C_oss)、反向传输电容 (C_rss) 和反向恢复电荷 (Q_rr) 是造成开关损耗的主要参数，值越小通常损耗越低。在开关应用中，开关瞬态间隔期间的漏源电压显著高于 6V，因此高电压区域是这些开关曲线的关键部分。当V_DS≥6V时，NVH4L022N120M3S的C_iss、C_oss和C_rss值更低（图3），这意味着其导通损耗和关断损耗低于竞争产品A。

图3：输入C_iss、输出C_oss和反向传输C_rss电容的比较

在25°C和175°C时，通过双脉冲测试在多种负载电流条件下测量了两款器件的开关损耗，如图4和图5所示。测试条件如下：

V_in=800V
R_G=4.7Ω
V_{GS_on}=+18V
V_{GS_off}=−3V
I_D=5−100A

平均而言，与竞争产品A相比，对于10A至100A的负载电流，M3S的开关损耗在25°C时要低5%，在175°C时要低9%。主要原因是得益于安森美的M3S工艺技术，其E_ON损耗更低。

图4.25°C 时的开关损耗比较

图5.175°C时的开关损耗

如前所述，MOSFET的反向恢复行为也会影响开关损耗。该参数的测试条件为：I_D=40A，di/dt=3A/ns（调整RG值以获得相同di/dt），温度为25°C。测试结果表明，M3S的反向恢复时间更短，反向恢复电荷更低，反向恢复能量更低，因此其反向恢复性能优于竞争产品A。

图6：M3S（左）和竞争产品 A（右）的反向恢复损耗比较

常用汽车拓扑中的 MOSFET 性能仿真

升压型PFC和具有两个电感 (LL)、一个电容 (C) 的LLC，是汽车车载充电器和高压 DC/DC转换器中常用的电路拓扑。升压型三相PFC拓扑包括六个开关器件，而全桥LLC拓扑有四个开关器件，次级侧还有同步整流器。

图7：升压型三相PFC（左）和全桥LLC（右）

评估完导通损耗和开关损耗之后，接下来对三相升压型PFC电路进行仿真（利用PSIM），使用以下测试条件分别比较采用每种类型MOSFET的系统效率：

V_aLL=V_bLL=V_cLL=400V
f_line=50Hz
R_G=4.7Ω
V_OUT=800V
f_SW=100kHz
P_OUT=11kW（最大值）

仿真结果表明，对于相同的系统设计，采用NVH4L022N120M3S的三相升压PFC系统在所有工作点上都表现出比竞争产品A更高的效率。

图8：仿真估算：不同功率水平下的效率比较

M3S 是开关应用的更优选择

在电力电子应用中，SiC 器件相比传统硅基器件具有多项优势，包括更高的效率、更低的开关损耗和导通损耗，以及能够在更高频率下工作，从而支持更高功率密度的设计。与类似的竞争器件相比，安森美的 M3S 技术提供更胜一筹的开关性能和品质因数，包括ETOT、Q_rr、V_SD和整体系统效率。M3S技术专为满足电动汽车高频开关应用（如车载充电器和高压DC/DC转换器）的要求而打造。M3S MOSFET旨在实现导通损耗和开关损耗之间的平衡，从而适用于PFC和其他硬开关应用。