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400V SiC MOSFET技術商用化彌補了長期存在的200V中壓MOSFET與600V超級結MOSFET之間產(chǎn)品和技術空缺。400 V SiC MOSFET技術開關損耗低、導通電阻小，非常適合三電平拓撲結構。本文簡要介紹了該器件的設計理念，并研究了其在ANPC拓撲的三相交流通用工業(yè)驅動器中的性能，該驅動器工作在高達750 VDC的輸入電壓下。
簡 介
目前400V市場還沒有有競爭力的解決方案?，F(xiàn)有的 200 V中壓MOSFET通過隔離的埋入式場板進行橫向電荷補償，但將其耐壓進一步提升的效果并不理想。同樣，將現(xiàn)有采用超級結技術的600V MOSFET的耐壓降低也存在問題。在這兩種情況下,應用性能都會因特定的器件設計而受到影響，即輸入、輸出和反向恢復電荷較大，輸出電容和米勒電容隨漏極電壓而明顯下降。這些特性阻礙了這些器件在硬開關半橋或全橋拓撲結構中的普遍應用。
400 V SiC MOSFET器件的總體結構沿用了之前介紹的設計方法[1][2]。圖1給出了元胞的橫截面示意圖。有源溝道沿α晶面排列，以提供最佳的溝道遷移率和最低的界面陷阱密度。柵極氧化物由深 p 阱保護，深 p 阱與半導體表面的源電極相連。由于第二溝道側壁與 α 晶面不重合，因此不用作有源溝道。相反，掩埋 p 區(qū)沿著非活動側壁與源電極相連。這使得元胞設計非常緊湊，再加上 α 晶面的高溝道遷移率，使得單位面積的導通電阻很低。
圖1. SiC MOSFET結構橫截面示意圖
雖然新型400 V MOSFET與之前推出的第一代器件[2]、[3]的設計相似，但它得益于技術的不斷改進，使晶胞間距明顯縮小，溝道特性得到改善，漂移區(qū)特性得到更好的控制。此外，還對芯片設計進行了精心優(yōu)化，以避免不必要的有效面積損失，例如通過優(yōu)化結端設計。圖2比較了新型400 V和650 V CoolSiC™技術的一些關鍵器件參數(shù)。
圖2. 400 V和650 V MOSFET的性能參數(shù)比較
新的400V SiC MOSFET 特別適合那些前級為三相/400Vac整流轉換為560V直流母線電壓的應用。目前，由于沒有其他選擇，這些應用通常采用兩電平拓撲結構中的1200 V半導體。圖3所示的三電平有源中性點鉗位(3L ANPC)拓撲結構[4]特別適合使用400 V器件，因為直流電容器將母線電壓一分為二。這樣就能實現(xiàn)800 V的阻斷能力，此外還能帶來雙向能量轉移的好處。
圖3. 三相3L ANPC逆變器基本示意圖
如圖4所示，在一個3相3電平ANPC逆變器中對器件性能進行了研究。該逆變器采用18個11 mΩ 400 V TOLL封裝的SiC-MOSFET。理想情況下,柵極驅動器可為三相系統(tǒng)提供18個隔離的柵極驅動電壓，因此采用了一種基于平面變壓器正激轉換器的可靠、低成本解決方案，只需一個輸入即可驅動18個隔離輸出。
圖4. 帶有柵極驅動器的 3 相 3L ANPC測試板
逆變器的開關頻率為10 kHz，每個開關的dv/dt限制在5 V/ns。它采用SPWM調(diào)制。在VDC=600 V、相電流為15 A，9.74千伏安負載的條件下,逆變器的效率為 n = 99.57 %。圖5和圖6顯示了測量到的電壓和電流波形，表明開關行為平穩(wěn)。
圖5. 無散熱器運行時的效率和最高外殼溫度測量值
圖6. 高壓側開關的導通和關斷波形 [VDS = 300 V，ILOAD = 30 A，di/dt = 750 A/µs]
論文全文將提供有關器件特性的更多細節(jié)，對測試環(huán)境的更詳細描述，并包括進一步的測量結果和對結果的解釋。
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參考文獻
[1] D.Peters、T.Basler、B.Zippelius、T.Aichinger、W.Bergner、R.Esteve、D.Kueck 和 R.Siemieniec:面向低柵極氧化應力和高性能的新型 CoolSiCTM 溝槽 MOSFET 技術,Proc.PCIM,紐倫堡,2017
[2] R.Siemieniec、D. Peters、R. Esteve、W. Bergner、D. Kück、T. Aichinger、T. Basler 和 B. Zippelius:提供改進溝道遷移率和高可靠性的碳化硅溝道 MOSFET 概念,Proc.EPE,波蘭華沙,2017 年
[3] R.Siemieniec、R. Mente、W. Jantscher、D. Kammerlander、U. Wenzel 和 T. Aichinger:用于高效電源的 650 V SiC 溝槽 MOSFET,Proc.意大利熱那亞 EPE,2019 年
[4] T.Brückner 和 S. Bernet:有源 NPC 開關在三電平電壓源逆變器中的損耗平衡》,Proc.PESC,加拿大溫哥華,2001 年