本文作者：德國慕尼黑英飛凌科技股份公司 Fanny Björk博士（高級專家）和Zhihui Yuan博士（技術營銷經理）

從硅到碳化硅

1200V SiC MOSFET擁有許多取代硅技術的理由。它最突出的特點是，動態(tài)損耗比1200V Si IGBT低。它在導通模式下沒有少數(shù)載流子，不存在拖尾電流，從而使得關斷損耗非常小。它的導通損耗相比IGBT也降低，這主要是因為，體二極管的低反向恢復損耗使得SiC MOSFET開通電流峰值變小。這兩種損耗都不隨溫度的升高而增加。與IGBT不同的是，MOSFET的導通損耗為主，關斷損耗其次，而IGBT通常完全相反。

另一個理由在于，1200V SiC MOSFET具有與650V Si超結MOSFET類似的開關性能。SiC MOSFET擁有低損耗體二極管，并且避免了超結器件（體二極管）反向恢復中的瞬變效應，是硬開關電路的最佳選擇。之前使用650V器件的單相功率轉換中的拓撲結構和解決方案，如今也可用于更高的母線電壓的三相功率轉換電路。

實際損耗降低

為了實現(xiàn)SiC MOSFET技術所承諾的理論上最低的動態(tài)損耗，在實際應用中必須確保特定器件設計參數(shù)的正確性。由米勒電容Cdg產生的電容反饋可導致柵極電壓升高，進而造成寄生導通效應，最終導致動態(tài)損耗可能增大。寄生導通發(fā)生在MOSFET處于關斷狀態(tài)且反向并聯(lián)二極管也關斷時。如果感生門極電壓高于器件的柵極閾值電壓，則會發(fā)生直通事件。直通事件和引起的能量損耗的嚴重程度也取決于運行工況和硬件。正如Sobe等人[1]所述，更加關鍵的參數(shù)包括高總線電壓、快速（dv/dt）開關瞬態(tài)、低導通柵極電阻以及高關斷柵極電阻。MOSFET對于有害效應的敏感性，可以通過MOSFET的Cdg/(Cdg+Cgs)電容比率及其柵極閾值電壓Vgs,th來估計。

在圖1中，通過比較市面上現(xiàn)有的最新一代SiC MOSFET的數(shù)據(jù)表可以發(fā)現(xiàn)，它們由米勒電容產生的耦合柵極電壓以及柵極閾值電壓存在很大差異。就以600V總線電壓VDC為例，只有兩家廠商提供的產品對寄生導通（PTO）效應具有天然抗擾性，即，它們實現(xiàn)了柵極閾值電壓和耦合柵極電壓之間的平衡。

值得注意的是，多款器件的開關瞬態(tài)都適中；與快速IGBT相比，導通損耗顯著降低。這為使用1200V MOSFET器件所能實現(xiàn)的可觀益處提供了證明。從圖2中也能看出，相比3引腳封裝，采用輔助源極連接的TO247 4引腳封裝能支持更快的電壓變化率dv/dt（>50 V/ns）。在15A的試驗電流條件下，這可使開關能耗降低10%以上。由于擁有額外的驅動源極引腳，幾乎可以消除由引線電感所導致的電壓降，4引腳封裝在較大的電流條件下還可以實現(xiàn)更大的損耗降幅。

圖1：通過計算相比器件典型Vgs,th額定值的、由電容引起的柵極壓升，來比較不同器件對于有害寄生導通效應的敏感性。不同1200V SiC MOSFET器件的標稱通態(tài)電阻為60-80mΩ。

圖注：對寄生導通效應具有天然的抗擾性

圖2：利用英飛凌的雙脈沖評估板[2]測量市面上60-80 mΩ等級的SiC MOSFET，獲得關斷柵極電壓為0V時，能實現(xiàn)的最小導通開關損耗和相應的dv/dt。兩種TO247封裝型號都達到最低損耗的事實，可以證明CoolSiC™ MOSFET對寄生導通能量損耗具有良好的抗擾性。試驗條件為800V、15A和150°C。

安全運行的柵極驅動設計

在SiC MOSFET中，寄生導通效應不僅影響動態(tài)損耗，而且影響最大柵極電壓下的安全運行，這對于柵極氧化層的可靠性至關重要?？梢岳秘摉艠O電壓來抑制寄生導通效應。但在許多情況下又會出現(xiàn)另一個問題，即，相比器件數(shù)據(jù)表中允許的最高負柵極電壓存在裕量不足。換言之，耦合電壓可能超出限值。圖3顯示了這種情況的示意圖。

圖3：由電容耦合電壓引起的導通和欠沖電壓示意圖。關于圖中所示的參數(shù)，可以查閱IMZ120R060M1H的產品數(shù)據(jù)表[3]

圖注：CoolSiC™ MOSFET：→由于寄生耦合電壓通常不會超出Vgs,th（取決于VDC），所以它能實現(xiàn)0V關斷，而無需負電壓運行。

結果：CoolSiC™ MOSFET欠沖電壓相比數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最小VGS擁有充足的裕量。

由電容耦合產生的電壓在關斷柵極電壓的基礎上產生了欠沖電壓?；乜磮D1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，采用TO247封裝的英飛凌CoolSiC™ MOSFET能以快速的電壓變化率（dv/dt）和較低的損耗進行開關，同時不產生任何明顯的寄生導通和欠沖電壓。因此，CoolSiC™ MOSFET可同時實現(xiàn)高性能（動態(tài)損耗最低）和數(shù)據(jù)表中規(guī)格內的安全運行。以經過精心設計的、擁有最小柵極-漏極電容的PCB布局為例，英飛凌建議電力電子設計人員在關斷電壓為0V的條件下運行CoolSiC™ MOSFET。如此即可實現(xiàn)簡化而不犧牲性能的單極柵極驅動設計。

損耗降低幅度高達80%的新一代伺服驅動

通常擁有高性能緊湊型變頻器的、適用于工業(yè)機器人或自動化系統(tǒng)的伺服驅動系統(tǒng)，是受SiC MOSFET性能影響的應用之一[4]。在加速、恒速和制動等所有運行模式下都能實現(xiàn)導通損耗和開關損耗降低。恒速模式——即電機通常以很小的轉矩（即，很小的電流）運行——的運行時間通常達到90%以上。在這種工況下，SiC MOSFET（參見圖4）相比Si IGBT可實現(xiàn)大約80%的總體損耗降幅。因為SiC MOSFET的輸出特性不存在拐點電壓，因此損耗降幅不僅來自于動態(tài)損耗，也來自于導通損耗。

圖4：在考慮到所有運行模式的情況下，伺服驅動變頻器中系統(tǒng)損耗的典型降低幅度。為方便計算，用45mΩ等級的1200V CoolSiC™ MOSFET與采用兩級B6拓撲的40A等級的1200V Si IGBT進行比較。

圖注：

系統(tǒng)損耗降低

正常運行模式（恒速）

脈沖電流模式（加速和制動）

在加速和制動模式下，驅動通常在更大的電流范圍內運行。此時，即使在dV/dt相同（5V/ns）時，SiC的動態(tài)損耗相比IGBT也可最多降低50%。伺服驅動中，半導體損耗降低約80%，可用于提高伺服過載能力，使其在封裝相同而電流更大時可以更加緊湊，從而減少風扇和/或散熱器需求，并且甚至能將變頻器集成到電機中。考慮到在通常使用的B6拓撲中的硬開關操作，CoolSiC™ MOSFET用于改進應用性能的關鍵特性包括低動態(tài)損耗，無明顯的寄生導通效應，以及穩(wěn)健的、適合于硬換流的內部體二極管。

充電樁功率密度提高一倍同時提升效率

可與三相電源相連的快速直流充電技術，因為能夠緩解用戶對于電動汽車續(xù)航里程的焦慮，而成為助力電動汽車市場發(fā)展的顛覆性變革者。隨著越來越多站點的充電樁能用太陽能電池板等可再生能源給電動汽車或其它應用充電，適用于儲能解決方案的雙向充電技術也應運而生。先進的充電樁在DC-DC級使用軟開關LLC拓撲，具體可參見圖5中最上面的一幅圖（如果在用戶的應用中不需要雙向充電，則在二次側開關位置應使用二極管）。由于只有650V等級的硅器件具有足夠低的動態(tài)損耗，所以需要兩個級聯(lián)的LLC全橋來支持800V的直流鏈路電壓。

如果使用1200V SiC MOSFET，包含驅動芯片在內的開關數(shù)量可以減少一半（參見圖5的中圖）。零部件數(shù)減少50%，使得需要的電路板空間縮小，效率也可得到優(yōu)化。對于SiC MOSFET解決方案，每個導通狀態(tài)只需打開兩個開關位置，而在650V等級的解決方案中則需要打開4個開關位置。考慮到使用硅器件系統(tǒng)中系統(tǒng)效率如今通?？杀粌?yōu)化至97%左右，所以在SiC MOSFET中，由于輸出電容變小，使得導通損耗降低50%，且關斷開關損耗也降低，因而可以實現(xiàn)超過1%的效率提升。如果是雙向充電，這就意味著可以節(jié)省2%甚至更多的電池電量。

1200V SiC MOSFET的總體開關損耗降低，加上適用于硬換向的內部快速體二極管，對于雙有源電橋（參見圖5中下圖）等傳統(tǒng)硬開關解決方案也有促進作用。通過大幅減少控制操作，降低總體復雜度，以及減少零部件數(shù)，這些解決方案可以變得越發(fā)有吸引力。

圖5：包含二次側雙向充電功能的三相快速直流電池充電：比較硅基解決方案與采用1200V SiC MOSFET的解決方案。箭頭表示，由于導通電流路徑上的開關位置減少，所以SiC MOSFET可將導通損耗降低50%。

圖注：

650V硅基DC/DC級：2個全橋LLC

1200V SiC MOSFET DC/DC解決方案1：1個全橋LLC

1200V SiC MOSFET DC/DC解決方案2：1個DAB（雙有源電橋）

結論

采用TO247封裝的1200V CoolSiC™ MOSFET產品系列，既是電池充電基礎設施和儲能解決方案等新興應用所必需的，也是伺服驅動等既有應用所不可或缺的。在硬開關和軟開關拓撲中，CoolSiC™ MOSFET可提高效率，減少零部件數(shù)，并降低系統(tǒng)復雜度。英飛凌CoolSiC™ MOSFET對不利的寄生導通效應具有良好的抗擾性。這使得它在眾多SiC MOSFET器件中動態(tài)損耗最低，能以簡化的設計在數(shù)據(jù)表規(guī)定的限值內安全運行，并能使0V關斷柵極電壓變得可行。它能幫助實現(xiàn)簡化而不犧牲性能的單極柵極驅動設計。

參考文獻

[1] K. Sobe et al, “Characterization of the parasitic turn-on behavior of discrete CoolSiC™ MOSFETs”, PCIM Europe 2019, Nuremberg, Germany, 2019

[2] https：//www.infineon.com/cms/en/prod uct/evaluation-boards/eval-igbt-1200v- 247

[3] https: //www.infineon.com/dgdl/Infineon-IMZ120R060M1H-DS-v01_01-EN.pdf?fileId=5546d46269e1c019016a92fdba796693

[4] https: //wirautomatisierer.industrie.de/messe/sps-ipc-drives/beckhoff-zeigtdezentrales-servoantriebssystemamp8000/