使用碳化硅 MOSFET 降低高压开关模式电源系统的损耗

作者： Art Pini

从电动汽车 (EV) 和光伏 (PV) 逆变器到储能和充电站，电力电子应用的数量和多样性持续增加。这些应用需要更高的工作电压、更大的功率密度、更低的损耗、更高的效率和可靠性，而使用像碳化硅 (SiC) 这样的基于宽带隙 (WBG) 技术的功率器件就可以满足这些要求，而且这种技术还在不断改进。

为什么选择 SiC？

与硅 (Si) 相比，SiC 等 WBG 半导体材料具备独特性能，因此成为开关模式电源系统设计的理想之选。带隙是指将电子从材料的价带移动到导带所需的能量。SiC 的宽带隙特性使之能够承受更高的工作电压。此外，还有其他一些重要特性，包括热导率、导通电阻、电子迁移率和饱和速度。

热导率衡量热量从半导体结传导至外部环境的速率。SiC 的热导率几乎是 Si 的三倍。这一特性使得 SiC 器件散热更为容易，从而具备更高的额定温度。同时，相较于额定电压相似的等效 Si 器件，SiC 半导体可以做得更薄。因此，在既定相同电压和额定功率的情况下，SiC 器件的尺寸更小。

SiC 能够让设计人员在保持芯片尺寸不变的情况下，增大承载电流的面积，进而降低器件电阻。这一特性成就了 SiC 器件最为显著的优势：在器件额定电压相同的条件下，实现更低的沟道导通电阻 (R DS(ON) )。较低的 RDS(ON) 意味着导通损耗更低、效率更高。

SiC 半导体具有更高的电子迁移率，相比 Si 器件，能够在更高的频率下工作。功率电路以更高开关频率运行会时需要使用的变压器、扼流圈、电感器和电容器等无源元件的尺寸就会缩小，并因此实现成本显著节省。这种尺寸缩小还减少了这些元器件的体积，从而实现更高的整体功率密度。

饱和速度是电子在高电场中的最大速度。在 SiC 半导体中，电子速度是 Si 半导体的两倍，从而实现更快的开关时间以及更低的开关损耗。

最新 SiC MOSFET 实例产品

基于 SiC 的核心优势，[Vishay] 推出了 1200 V [MaxSiC] 系列 SiC MOSFET。该系列采用专有的 MOSFET 技术，以标准封装提供 45、80 和 250 mΩ 的 RDS(ON) 值，适用于诸如牵引逆变器、光伏能量转换和储存、车载充电器和充电站之类工业应用。该系列产品还具有极快的开关速度和 3 µs 的 (SCWT)。

MaxSiC MOSFET 属 N 沟道器件，额定最大漏源电压 (V DS ) 为 1200 V，可在 -55 至 150°C 的温度下工作。这些器件针对每个 RDS(ON) 值提供两种标准通孔封装。最大功率耗散和漏极电流因型号而异，其最大功率耗散和连续漏极电流 (I D ) 分别为 227 W 和 49 A（表 1）。

零件编号	封装	RDS(ON)（典型值）(mΩ)	ID（最大值）(A)	功率耗散（最大值）(W)
[MXP120A045FL-GE3]	TO-247AD 4L	45	49	227
[MXP120A045FW-GE3]	TO-247AD 3L	45	49	227
[MXP120A080FL-GE3]	TO-247AD 4L	80	29	139
[MXP120A080FW-GE3]	TO-247AD 3L	80	29	139
[MXP120A250FL-GE3]	TO-247AD 4L	250	10.5	56
[MXP120A250FW-GE3]	TO-247AD 3L	250	10.5	56

上列 MaxSiC MOSFET 采用三引线或四引线 TO247-AD 封装（图 1）。

图 1：MaxSiC MOSFET 采用三引线和四引线 TO-247AD 封装。（图片来源：Vishay）

四引线封装为栅极驱动连接增加了一个开尔文连接引线，以最大限度地减少源极引线连接中漏极电流压降的耦合。

MaxSiC MOSFET 非常适合切换电压需要大于 600 V、功率水平高至 227 W 的应用，例如 400 和 800 V 汽车电池系统、光伏电源和充电站。

结语

Vishay MaxSiC MOSFET 是适合汽车和电力行业的创新型大功率器件。这些器件可提供比标准 Si 器件更高的电压规格和更低的沟道电阻，因此成为需要低损耗和高效率设计的理想选择。

审核编辑 黄宇