探索 onsemi NTBG022N120M3S SiC MOSFET：高性能与应用潜力

作为电子工程师，我们总是在寻找那些能为设计带来突破的组件。今天，我将深入探讨 onsemi 的 NTBG022N120M3S SiC MOSFET，一款在功率应用领域极具潜力的器件。

文件下载：onsemi NTBG022N120M3S 1200V M3S系列SiC MOSFET.pdf

产品概述

NTBG022N120M3S 是 onsemi 推出的 EliteSiC 系列碳化硅（SiC）MOSFET，采用 D2PAK - 7L 封装。它具有 22 mΩ 的典型导通电阻（$R_{DS(on)}$）和 1200V 的耐压能力，在多个应用场景中展现出优异的性能。

内部原理图

封装外形

关键特性与优势

卓越的电气性能

• 低导通电阻：典型 $R{DS(on)}$ 在 $V{GS}=18V$ 时为 22 mΩ ，这意味着在导通状态下，器件的功率损耗较低，能有效提高系统效率。想象一下，在一个高功率的应用中，较低的导通电阻可以减少发热，延长器件的使用寿命，同时降低整个系统的能耗。
• 超低栅极电荷：总栅极电荷 $Q_{G(tot)}$ 仅为 142 nC，这使得器件能够实现高速开关，减少开关损耗。在高速开关的应用中，如高频逆变器，低栅极电荷可以提高开关速度，降低开关过程中的能量损失。
• 低电容高速开关：输出电容 $C_{oss}$ 为 146 pF，结合低栅极电荷，使器件能够实现高速开关，提高系统的工作频率和效率。低电容特性还可以减少开关过程中的电压尖峰，提高系统的稳定性。

高可靠性

• 雪崩测试：该器件经过 100% 雪崩测试，能够承受高能量的雪崩冲击，保证了在恶劣工作条件下的可靠性。在一些可能会出现电压尖峰或浪涌的应用中，如电动汽车充电系统，雪崩测试合格的器件可以更好地保护系统，防止因过电压而损坏。
• RoHS 合规：符合 RoHS 标准，意味着该器件在环保方面表现出色，有助于满足全球各地的环保法规要求。

典型应用场景

• 太阳能逆变器：在太阳能逆变器中，NTBG022N120M3S 的低导通电阻和高速开关特性可以提高逆变器的效率，将太阳能电池板产生的直流电高效地转换为交流电，并入电网。
• 电动汽车充电站：对于电动汽车充电站，该器件的高耐压和大电流处理能力能够满足快速充电的需求，同时低损耗特性可以降低充电过程中的能量损失，提高充电效率。
• 不间断电源（UPS）：在 UPS 系统中，该器件可以快速切换，保证在市电中断时能够及时为负载提供电力，其高可靠性和低损耗特性有助于提高 UPS 系统的性能和稳定性。
• 能量存储系统：在能量存储系统中，NTBG022N120M3S 可以实现高效的能量转换和存储，提高系统的整体效率和可靠性。
• 开关模式电源（SMPS）：在 SMPS 中，该器件的高速开关和低损耗特性可以提高电源的效率和功率密度，满足现代电子设备对小型化、高效率电源的需求。

电气参数解读

最大额定值

参数	符号	值	单位
漏源电压	$V_{DSS}$	1200	V
栅源电压	$V_{GS}$	-10/+22	V
连续漏极电流（$T_{c}=25^{\circ}C$）	$I_{D}$	100	A
功率耗散（$T_{c}=25^{\circ}C$）	$P_{D}$	441	W
连续漏极电流（$T_{c}=100^{\circ}C$）	$I_{D}$	71	A
功率耗散（$T_{c}=100^{\circ}C$）	$P_{D}$	220	W
脉冲漏极电流（$T_{c}=25^{\circ}C$）	$I_{DM}$	297	A
工作结温和存储温度范围	$T{J}, T{stg}$	-55 至 +175	$^{\circ}C$
源极电流（体二极管）（$T{c}=25^{\circ}C$，$V{GS}=-3V$）	$I_{S}$	89	A
单脉冲漏源雪崩能量（$L_{(pk)}=23.1A$，$L = 1mH$）	$E_{AS}$	267	mJ
最大焊接温度（10 s）	$T_{L}$	270	$^{\circ}C$

这些最大额定值为我们在设计电路时提供了安全边界，确保器件在正常工作条件下不会受到损坏。例如，在选择散热方案时，需要考虑功率耗散和工作温度范围，以保证器件的结温在安全范围内。

电气特性

关态特性

• 漏源击穿电压：$V{(BR)DSS}$ 在 $V{GS}=0V$，$I_{D}=1mA$ 时为 1200V，这表明器件能够承受较高的反向电压。
• 漏源击穿电压温度系数：$V{(BR)DSS}/T{J}$ 为 0.3 V/$^{\circ}C$，意味着击穿电压会随着温度的升高而略有增加。

开态特性

• 栅极阈值电压：$V{GS(TH)}$ 在 $V{DS}=V{GS}$，$I{D}=20mA$ 时为 2.04 - 4.4 V，这是器件开始导通的临界栅源电压。
• 漏源导通电阻：$R{DS(on)}$ 在 $V{GS}=18V$，$I_{D}=40A$，$T = 25^{\circ}C$ 时为 22 - 30 mΩ，在 $T = 175^{\circ}C$ 时为 44 mΩ，导通电阻会随着温度的升高而增加。

电荷、电容与栅极电阻

• 输入电容：$C{iss}$ 在 $V{GS}=0V$，$f = 1MHz$，$V_{DS}=800V$ 时为 3175 pF。
• 输出电容：$C_{oss}$ 为 146 pF。
• 反向传输电容：$C_{rss}$ 为 14 pF。
• 总栅极电荷：$Q{G(TOT)}$ 在 $V{GS}=-3/18V$，$V{DS}=800V$，$I{D}=40A$ 时为 142 nC。
• 栅极电阻：$R_{G}$ 在 $f = 1MHz$ 时为 1.5 Ω。

这些参数对于理解器件的开关特性和驱动要求非常重要。例如，输入电容和总栅极电荷会影响器件的驱动能力和开关速度，在设计驱动电路时需要考虑这些因素。

开关特性

• 导通延迟时间：$t_{d(ON)}$ 为 18 ns。
• 上升时间：$t_{r}$ 为 24 ns。
• 关断延迟时间：$t{d(OFF)}$ 在 $V{GS}=-3/18V$，$V_{DS}=800V$ 时为 47 ns。
• 下降时间：$t{f}$ 在 $I{D}=40A$ 时为 14 ns。
• 导通开关损耗：$E{ON}$ 在 $R{G}=4.5Ω$ 感性负载下为 485 μJ。
• 关断开关损耗：$E_{OFF}$ 为 220 μJ。
• 总开关损耗：$E_{tot}$ 为 705 μJ。

开关特性决定了器件在开关过程中的能量损失和速度，对于提高系统的效率和性能至关重要。在设计高频开关电路时，需要优化开关特性，减少开关损耗。

热特性

参数	符号	最大值	单位
结到壳热阻（稳态）	$R_{θJC}$	0.34	$^{\circ}C/W$
结到环境热阻（稳态）	$R_{θJA}$	40	$^{\circ}C/W$

热特性对于保证器件的可靠性和性能至关重要。在设计散热方案时，需要根据热阻和功率耗散来计算结温，确保结温在安全范围内。例如，如果器件的功率耗散为 100W，结到壳热阻为 0.34 $^{\circ}C/W$，那么结温会比壳温高 34 $^{\circ}C$。

封装与标记

该器件采用 D2PAK - 7L 封装，具有特定的标记规则。标记信息包括特定器件代码、组装位置、年份、工作周和批次可追溯性等。了解封装和标记信息有助于在生产和调试过程中准确识别和使用器件。

总结

onsemi 的 NTBG022N120M3S SiC MOSFET 凭借其卓越的电气性能、高可靠性和广泛的应用场景，为电子工程师在功率设计领域提供了一个强大的工具。在实际设计中，我们需要充分考虑器件的各项参数，结合具体应用场景进行优化，以实现系统的高性能和高可靠性。你在使用 SiC MOSFET 时遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。