SiCMOSFET在汽車和電源應用中優勢顯著（一）

摘要：傳統硅基MOSFET技術日趨成熟，正在接近性能的理論極限。寬帶隙半導體的電、熱和機械特性更好，能夠提高MOSFET的性能，是一項關注度很高的替代技術。

商用硅基功率MOSFET已有近40年的歷史，自問世以來，MOSFET和IGBT一直是開關電源的主要功率處理控制組件，被廣泛用于電源、電機驅動等電路設計。

不過，這一成功也讓MOSFET和IGBT體會到因成功反而受其害的含義。隨著產品整體性能的改善，特別是導通電阻和開關損耗的大幅降低，這些半導體開關的應用范圍越來越廣。結果，市場對這些硅基MOSFET和IGBT的期望越來越高，對性能的要求越來越高。

盡管主要的半導體研發機構和廠商下大力氣滿足市場要求，進一步改進MOSFET／ IGBT產品，但在某些時候，收益遞減法則占主導。幾年來，盡管付出投入很大，但成效收獲甚微。技術和產品最終發展到一個付出與收獲不成正比的階段，并不罕見，這是在為新的顛覆性方法和新產品問世奠定基礎。

對于MOSFET器件，這個顛覆性技術創新周期是開發和掌握新基礎材料的結果。與基于純硅的MOSFET比較，基于碳化硅（SiC）的MOSFET的性能更勝一籌。 請注意，本文對比測試所用產品不是研發樣品或演示原型，而是已經商用的基于SiC的MOSFET。

作為一個重要的快速發展的應用領域，電動汽車和混動汽車（EV／HEV）的發展受益于MOSFET技術進步，反過來又推到了MOSFET的研發制造活動。不管消費者是如何想的，這些滿載電池的汽車不只是一個大型電池組連接數個牽引電機那樣簡單（混動汽車還有一個小型汽油發動機給電池充電），而是需要大量電子模塊來驅動系統運行，管理設備，執行特殊功能，如圖1所示。

圖1：電動汽車和混合動汽車不只是一臺大容量電池連接數臺牽引電機，還有許多較小的電子子系統及電源，以及給大型電池組充放電和管理電池組的高功率子系統。

電動汽車和混合動汽車所用的功率開關轉換系統包括：

· 輪轂電機牽引逆變器（200 kW／最高20 kHz）；

· 交流輸入車載充電器（20 kW／50 kHz－200 kHz）；

· 選配快速充電功能（50 kW／50 kHz－200 kHz）

· 輔助功能電源：中控臺、電池管理控制、空調、信息娛樂系統、GPS、網絡連接（4 kW／ 50 kHz－200 kHz量級）

為什么要注重能效？ 續航里程顯然是消費者選購電動汽車和混合動汽車的重要考慮因素之一。逆變器的性能提高幅度即便很小，也能導致消費者能夠看到的汽車基本性能指標明顯提高。

但是，要求高能效的不止于這一個因素，還有多種其它因素：

· 降低工作溫度，提高可靠性；

· 降低熱負荷，減少通過散熱器、散熱片、冷卻液和其它技術散發的熱量；

· 減少充電時間和基本用電量；

· 由于工作溫度較高的系統固有的要求和限制，整體封裝需要具有更大的靈活性；

· 更加輕松地符合法規要求。

SiC應對挑戰

幸運的是，SiC提供了一條通向更高能效以及提高相關性能的途徑。在結構和性能上，SiC MOSFET與主流的純硅MOSFET有何不同？簡而言之，SiC MOSFET是在SiC n ＋襯底上加一個 SiC n摻雜外延層（又稱漂移層），如圖2所示。關鍵參數導通電阻R_DS（ON）在很大程度上取決于源極／基極和漂移層之間的溝道電阻R_Drift。

圖2：不同于純硅MOSFET，SiC MOSFET在n ＋型 SiC襯底上面制作一個碳化硅外延（漂移）層，源極和柵極置于SiC漂移層頂部。

當R_Drift值給定，結溫是25？C時，SiC晶體管裸片實際面積是硅超結晶體管裸片面積的幾分之一，如果使兩個管子的芯片面積相同，那么SiC晶體管的性能要高出很多。另一個比較SiC和硅的方法是用大家熟悉的品質因數（FOM），即R_DS（ON） ×芯片面積（品質因數越低越好）。在1200V阻斷電壓下，意法半導體的SiC MOSFET的FOM值很小，約為市面上最好的高壓硅MOSFET（900V超結管）的十分之一。

與牽引逆變器常用的硅基IGBT相比，SiC MOSFET主要有以下優點：

· 開關損耗更低，在中小功率時，導通損耗更低；

· 沒有IGBT那樣的PN結電壓降；

· SiC器件具有堅固、快速的本征二極管，無需外部二極管；該本征二極管的恢復電荷極小，幾乎可以忽略不計；

· 工作溫度更高（200？C），從而降低了冷卻要求和散熱要求，同時提高了可靠性；

· 在能效相同的條件下，開關頻率是IGBT的4倍，由于無源器件和外部元件少，重量、尺寸和成本更低。

驅動器

經驗豐富的工程師知道，功率器件只是整個系統的眾多重要組件之一。要想使設計變得可靠、高效，有成本效益，還需要給MOSFET選擇適合的驅動器。適合的驅動器是根據目標MOSFET及其負載特有的電流變化率、電壓值和時序限制而專門設計的驅動器。由于硅基MOSFET技術已經成熟，市面上有很多品牌的標準驅動器，保證驅動器／ MOSFET組合正常工作。

因此，人們關心SiC MOSFET驅動的難易程度，更關心驅動器在市場上是否有售，這是很正常的事情。令人興奮的是，驅動SiC MOSFET幾乎與驅動硅基MOSFET一樣容易，驅動一個80mΩ器件，只需要20V柵－源電壓、最大約2A的驅動電流。因此，在許多情況下都可以使用簡單標準的柵極驅動器。意法半導體和其它廠商開發出了針對SiC MOSFET優化的柵極驅動器，例如ST TD350。

在這款先進的柵極驅動器內，創新的有源米勒鉗位功能大多數應用中節省了負電壓柵極驅動，并允許使用簡單的自舉電源驅動高邊驅動器；電平和延遲可調節的兩級關斷功能可以預防關斷操作產生大量的過電壓，以防萬一發生過流或短路情況，兩級關斷功能中設置的延遲還可用于控制開關的開通操作，防止脈沖寬度失真。（為進一步簡化SiC MOSFET的使用，意法半導體發布了題目為 “如何微調SiC MOSFET柵極驅動器，最大限度降低損耗”的應用筆記，全面詳細介紹了驅動器的要求和最佳性能解決方案。）

不只是推斷，還是事實

制造工藝的進步有時并不能保證新技術一定會產業化和大規模應用，而SiC MOSFET卻是一個例外。目前，SiC MOSFET已經大批量生產，并被混動汽車和電動汽車采用，在能效、性能和工作條件方面取得切實的成效，并傳導到電路級和系統級。