隨著電源要求、法規(guī)管制以及效率標(biāo)準(zhǔn)和 EMI 要求的日趨嚴(yán)格，電源越來越需要采用開關(guān)功率器件，因?yàn)殚_關(guān)功率器件效率更高且工作范圍更寬。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員持續(xù)承受著降低成本和節(jié)省空間的壓力，面對這些需求，需要替代經(jīng)典硅 (Si) 基 MOSFET 的產(chǎn)品。
碳化硅 (SiC) 現(xiàn)已成熟并發(fā)展到第三代，已經(jīng)成為一種明智的選擇。基于 SiC 的 FET 具有許多性能優(yōu)勢，其中最為突出的特點(diǎn)是效率更高、可靠性更好、熱管理問題更少且占用空間更小。這些產(chǎn)品適用于整個功率譜，不需要徹底改變設(shè)計(jì)技術(shù)，不過可能需要一些調(diào)整。
本文對 Si 和 SiC 進(jìn)行了簡要比較，介紹了 Cree/Wolfspeed 的 SiC 器件示例，并說明了如何使用此類器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
SiC 與 Si MOSFET 比較
首先要清楚了解相關(guān)技術(shù)和術(shù)語：基于 SiC 的 FET 是 MOSFET，就像之前的硅片一樣。從廣義上講，其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)相似，二者均為三端器件，具有源極、漏極和柵極連接。
區(qū)別正如名稱所示：基于 SiC 的 FET 使用碳化硅作為基材，而不僅僅是硅。業(yè)內(nèi)許多人士將其稱為 SiC 器件，而忽略了 MOSFET 部分。本文將其稱為 SiC FET。
為什么使用 SiC 化合物作為材料？由于各種深層物理學(xué)原因，SiC 有三大電氣特性與硅明顯不同，每個特性均賦予其工作優(yōu)勢。此外，SiC 還有其他一些更微妙的差異（圖 1）。
圖 1：SiC 與 Si 和 GaN 固體材料的關(guān)鍵材料性能的大致比較。與 Si 相比，SiC 具有更高的臨界擊穿電壓、更高的導(dǎo)熱率和更寬的帶隙。（圖片來源：Researchgate）
這些優(yōu)勢包括：
更高的臨界擊穿電場電壓（約 2.8 MV/cm，Si 為 0.3 MV/cm），因而在給定電壓額定值下工作時(shí)，可以使用更薄的層，大大降低導(dǎo)通電阻。
更高的導(dǎo)熱率，因而在橫截面上可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度。
更寬的帶隙（半導(dǎo)體（和絕緣體）中價(jià)帶頂部與導(dǎo)帶底部之間的能量差，單位為 eV），使得高溫下的漏電流更低。出于這個原因，SiC 二極管和 FET 常被稱為寬帶隙 (WBG) 器件。
其結(jié)果是，基于 SiC 的器件可阻斷的電壓比硅器件高出 10 倍左右，開關(guān)速度是硅器件的大約 10 倍，25°C 時(shí)的導(dǎo)通電阻只有硅器件的一半或更低。同時(shí)，它能在最高 200°C（硅器件為 125°C）的溫度下工作，因而使熱設(shè)計(jì)和熱管理得以簡化。
柵極驅(qū)動器對于實(shí)現(xiàn)所述優(yōu)勢至關(guān)重要
沒有柵極驅(qū)動器，功率器件便無法工作。柵極驅(qū)動器將低電平數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為所需的電流和電壓信號，并為功率器件提供所需的時(shí)序（同時(shí)還提供一些保護(hù)來防范大多數(shù)類型的外部故障）。對于 SiC FET，驅(qū)動器必須具備一些額外功能以達(dá)到如下目的：
最大限度地降低傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和柵極損耗。這些損耗包括關(guān)斷和導(dǎo)通能量、米勒效應(yīng)以及柵極驅(qū)動電流要求。關(guān)斷能量可根據(jù)關(guān)斷狀態(tài)下的柵極電阻和柵源電壓計(jì)算出來。為了減少這些損耗，必須從柵極抽取更多的電流。有一個辦法是讓驅(qū)動器在關(guān)斷期間向柵極電壓施加負(fù)偏壓。類似地，減小柵極電阻可以降低導(dǎo)通能耗。
最大限度地降低米勒效應(yīng)及其負(fù)面影響；在某些情況和應(yīng)用配置下，寄生電容可能會導(dǎo)致意外導(dǎo)通。米勒效應(yīng)引起的這種導(dǎo)通會增加反向恢復(fù)能量并增加損耗。一種解決方案是讓驅(qū)動器具備所謂的米勒箝位保護(hù)功能，從而在功率級開關(guān)期間控制驅(qū)動電流。
以適當(dāng)?shù)碾妷禾峁┧璧墓嚯娏骱屠娏鳌槭箵p耗最小，SiC 器件需要的正偏柵極驅(qū)動 (+20 V) 一般比硅基 MOSFET 高。SiC 器件可能還需要 -2 至 -6 V 的負(fù) OFF 柵極電壓。所需柵極電流根據(jù)柵極電荷 (Qg)、VDD、漏極電流 ID、柵源電壓和柵極電阻進(jìn)行常規(guī)計(jì)算來確定，典型值約為幾安培。該電流必須具有足夠的灌電流和拉電流額定值，其壓擺率須與 SiC FET 的開關(guān)速度相稱。
對電路板和器件的寄生效應(yīng)（包括雜散電感和電容）進(jìn)行建模并使之最小化，以免在器件的較高開關(guān)速度下，這些寄生效應(yīng)引起振蕩、電壓/電流過沖和誤觸發(fā)。硅 MOSFET 有一個較小的“尾”電流，充當(dāng)阻尼器或緩沖器，可在某種程度上減少過沖和瞬時(shí)振蕩。SiC MOSFET 沒有這種尾電流，因此漏極電壓過沖和瞬時(shí)振蕩可能較高并造成問題。要減少這些寄生效應(yīng)，需要特別注意電路布局問題，盡量縮短導(dǎo)線長度，并將驅(qū)動器放置在盡可能靠近其功率器件的地方。即使幾厘米長也可能很重要，因?yàn)楫?dāng) SiC FET 以較高開關(guān)速度工作時(shí)，這些雜散電感和電容的影響更為顯著。減小瞬時(shí)振蕩還有一個好處，那就是能夠減少與器件的驅(qū)動側(cè)和負(fù)載側(cè)的高速開關(guān)相關(guān)的 EMI 的產(chǎn)生。
盡管驅(qū)動 SiC MOSFET 會涉及其他問題，但許多供應(yīng)商為此設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn) IC，其特性可滿足 SiC 器件的特定需求。請注意，在許多設(shè)計(jì)中，柵極驅(qū)動器和 SiC FET 必須與低壓電路進(jìn)行電隔離。這樣可以通過光學(xué)、脈沖變壓器或容性隔離技術(shù)并利用標(biāo)準(zhǔn)元器件來實(shí)現(xiàn)。隔離首先是為了安全，防止用戶在電路故障時(shí)受到高壓侵害。其次，很多電路拓?fù)洌ɡ珉姌蚺渲茫┲械?MOSFET 本身不接地，因而需要隔離。
新器件所展現(xiàn)的性能和能力
Cree/Wolfspeed 于 2011 年 1 月推出了首款商業(yè)封裝的 SiC MOSEFT CMF20120D（Wolfspeed 是 Cree 的電源和射頻部門，該名稱于 2015 年宣布），而 SiC 晶圓在幾年前便已上市。其額定值為 1200 V/98 A，導(dǎo)通電阻為 80 mΩ（全部為 25°C 時(shí)的值），采用 TO-247 封裝。這之后，Cree 很快推出了第二代 工藝，現(xiàn)在提供的則是第三代 SiC MOSEFT 指定 C3M 器件（圖 2）。
圖 2：Cree 的第二代（左） 和第三代（右）SiC 工藝結(jié)構(gòu)的比較表明差異不大，但這些剖面圖并未顯示出最終的性能規(guī)格改進(jìn)。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）
例如，C3M0280090J 是業(yè)界首批 900 V SiC MOSFET 平臺之一。它針對高頻電力電子應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，包括可再生能源逆變器、電動汽車充電系統(tǒng)和三相工業(yè)電源（表 1）。
| 阻斷電壓900 V+25°C 時(shí)電流額定值11.5 ARDS(ON) (+25°C)280 mΩ封裝TO-263-7柵極電荷總計(jì)9.5 nC最高結(jié)溫+150°C反向恢復(fù)電荷 (Qrr)47 nC反向恢復(fù)時(shí)間 (Trr)20 ns |
表 1：Cree 的 C3M0280090J SiC MOSFET 優(yōu)異特性表明其適用于可再生能源逆變器、電動汽車充電系統(tǒng)和三相工業(yè)電源。（表格來源：Cree/Wolfspeed）
除電壓/電流規(guī)格外，該器件還針對低電容的高速開關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化，采用低阻抗封裝，具有驅(qū)動器源極連接（圖 3），包括一個低反向恢復(fù)電荷 (Qrr) 的快速本征二極管，并且漏極和源極之間具有很寬的爬電距離（約 7 mm）。
圖 3：Cree 的 C3M0280090J 采用低阻抗封裝，具有驅(qū)動器源極連接。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）
利用此 900 V 平臺可實(shí)現(xiàn)尺寸更小、效率更高的新一代電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其成本與硅基解決方案相當(dāng)，但性能規(guī)格更為出色。安全工作區(qū) (SOA) 曲線概括了該 SiC FET 的能力（圖 4）。當(dāng)漏源電壓 (VDS) 較低時(shí)，最大電流受導(dǎo)通電阻限制；在中等 VDS 時(shí)，該器件可在短時(shí)間內(nèi)維持 15 A 的電流。
圖 4：Cree 的 C3M0280090J 安全工作區(qū)曲線顯示了其 IDS 與 VDS 能力的關(guān)系。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）
封裝影響性能
Cree 還提供三款規(guī)格相似的器件——C3M0075120D、C3M0075120K 和 C3M0075120J，其差異主要是因封裝不同而引起的（圖 5）。
圖 5：Cree 的 1200 V SiC FET 有三種封裝，規(guī)格大致相似，但不完全相同。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）
這些數(shù)字描述的是數(shù)據(jù)，但具體應(yīng)用就另當(dāng)別論了。后綴為 D 的器件采用三端子封裝 (TO-247-3)，而后綴為 K 的器件采用四端子封裝 (TO-247-4)。這兩款器件以及后綴為 J 的七端子器件均有開爾文源極引腳，它能降低柵極電路中 L×di/dt 引起的電壓尖峰效應(yīng)。這樣一來，柵極和源極上便可施加更大電壓，從而實(shí)現(xiàn)更快速的動態(tài)切換。當(dāng)在接近額定電流的條件下測量器件時(shí)，結(jié)果表明開關(guān)損耗有可能降低 3.5 倍。
評估板、參考設(shè)計(jì)加速成功
盡管與千兆赫茲頻率射頻設(shè)計(jì)截然不同，但打造高性能電路以在更高的電壓和功率范圍下工作仍然需要注意細(xì)節(jié)。元器件和布局的每一個細(xì)微之處和特征都會被放大，實(shí)際電路對哪怕最小的問題和疏忽也不會寬宥。
為了幫助設(shè)計(jì)人員評估諸如 C3M0075120D 和 C3M0075120K 之類的 SiC FET，Cree 提供了 KIT-CRD-3DD12P 降壓-升壓評估套件來演示這些器件的高速開關(guān)性能（圖 6）。它既支持 C3M0075120D 的三端子封裝，也支持 C3M0075120K 的四端子封裝（其余方面與前者相同）。設(shè)計(jì)人員可以測試和比較采用不同封裝的 Cree/Wolfspeed 第三代 (C3M) MOSFET 的性能。
圖 6：利用 KIT-CRD-3DD12P 評估套件，可以方便地評估三端子 TO-247 封裝 C3M0075120D 和四端子 C3M0075120K 的性能。請注意，大散熱器和環(huán)形電感器用于實(shí)現(xiàn)出色的散熱性能。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）
該評估套件采用半橋配置，允許在上方和下方位置增加 MOSFET 或二極管，因此該板可配置為常見電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洌缤浇祲夯蛲缴龎骸Ｋ€允許在頂部或底部位置增加二極管，讓用戶可以評估異步降壓或異步升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>
此外，為了減少功率損耗，該套件配有一個由“鐵硅鋁磁粉”制成的低損耗電感器。這種磁性金屬粉末也稱為 Kool Mμ，由 85% 的鐵、9% 的硅和 6% 的鋁組成。它改進(jìn)了關(guān)鍵磁性和溫度參數(shù)的規(guī)格，可替代坡莫合金。
對于需要設(shè)計(jì)自己的柵極驅(qū)動器子電路的用戶，Cree/Wolfspeed 還為這些第三代 SiC FET 提供了 CGD15SG00D2 柵極驅(qū)動器參考設(shè)計(jì)（圖 7）。
圖 7：CGD15SG00D2 柵極驅(qū)動器參考設(shè)計(jì)的頂部（左）和底部（右）；這是一個具有完整 BOM 的完整電路板，為用戶評估三引腳與四引腳 TO-247 封裝（使用相同 SiC MOSFET 芯片）的性能提供了條件。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）
CGD15SG00D2 的高級框圖（圖 8）顯示了該參考設(shè)計(jì)的功能，包括光耦合器 (U1)、柵極驅(qū)動器集成電路 (U2) 和隔離電源 (X1)。光耦合器（5000 V 交流隔離）接受脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號，并提供 35/50 kV/μs（最小值/典型值）的共模抗擾度。其他值得注意的特性包括：
一個凹槽，用以增強(qiáng)印刷電路邏輯側(cè)和電源側(cè)之間的強(qiáng)制爬電距離規(guī)格，而且在電路板的初級電路和次級電路之間有 9 mm 爬電性能增強(qiáng)縫。
一個 2 W 隔離電源，用以支持較大 MOSFET 在較高頻率下工作。
單獨(dú)的柵極導(dǎo)通和關(guān)斷電阻器，并帶有專用二極管，支持用戶定制和優(yōu)化導(dǎo)通與關(guān)斷信號。
邏輯電源輸入上的共模電感器可增強(qiáng) EMI 抗擾度。
圖 8：CGD15SG00D2 柵極驅(qū)動器參考設(shè)計(jì)的高級框圖顯示了其主要功能模塊：光耦合器 U1、柵極驅(qū)動器 IC U2 和隔離電源 X1。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）
總結(jié)
在功率開關(guān)應(yīng)用中，與傳統(tǒng) Si MOSFET 相比，Cree/Wolfspeed 的第三代 SiC MOSFET 在效率和散熱能力方面具有明顯的性能優(yōu)勢。當(dāng)與合適的驅(qū)動器一起使用時(shí)，它們可為新興及現(xiàn)有的應(yīng)用提供可靠且始終如一的性能。
