碳化矽如何改進開關電源轉換器設計

在設計電源轉換器時，碳化矽 (SiC)等寬帶隙 (WBG) 技術現在是組件選擇過程中的現實選擇。650V SiC MOSFET 的推出使其對於以前未考慮過的應用更具吸引力。

它們在高效硬開關拓撲中具有卓越的魯棒性，使其成為實現仟瓦級電源解決方案的功率因數校正 (PFC) 級的理想選擇。而且，由於支持更高的開關頻率，更小的磁性元件成為一種選擇，為許多設計帶來可喜的體積減小。

天下冇有的午餐 雖然好處很多，但僅僅通過將SiC MOSFET放入去除矽等效物留下的間隙中並不能實現這些好處。工程師需要花時間了解它們的特徵，以充分利用變革，同時還要了解它們不同的局限性和故障模式。CoolSiC? 器件中體二極管的正嚮電壓是矽 MOSFET 的四倍。因此，LLC 轉換器在輕負載時效率可能會下降 0.5%。PFC 拓撲的高效率還可以通過通道而不是體二極管升壓來實現。

在工作溫度下，導通電阻與矽相當 一個關鍵的比較參數是導通電阻 RDS(on)。矽 MOSFET 錶麵上看起來比 SiC 更好，但由於其倍增係數 (κ) 較低，84 mΩ CoolSiC? 器件在 100°C 下可實現與 57 mΩ CoolMOS? 器件相同的 RDS(on)（圖 1）。CoolSiC 還提供比矽 MOSFET 更高的擊穿電壓 V(BR)DSS，這對於在低溫環境下啓動的應用非常有用。

圖 1：Cool-SiC? 的溫度對 RDS(on) 的影響低於 CoolMOS?，因此在典型工作溫度下具有相似的導通電阻。　

EiceDRIVER? 係列仍然是 CoolSiC? MOSFET 的理想伴侶。然而，為了實現數據錶中定義的低 RDS(on)，需要 18V 的柵極電壓 (VGS)，而不是矽 MOSFET 的典型 12V。如果選擇新的柵極驅動器，值得選擇具有 13 V 欠壓鎖定功能的柵極驅動器，以確保目標應用異常條件下的安全運行。SiC 的另一個優點是溫度對 25 °C 至 150 °C 之間傳輸特性的影響有限（圖 2）。

避免負柵極電壓 負柵極電壓可能會導緻 SiC MOSFET 的長期退化，從而導緻潛在故障。因此，設計工程師應確保 VGS 不會在超過 15 ns 的時間內降至 -2 V 以下。如果發生這種情況，可能會導緻柵極閾值電壓 (VGS(th)) 發生漂移，從而在應用的整個生命周期內增加 RDS(on)。終，這會導緻來之不易的係統效率提升下降，而這正是許多情況下選擇 SiC 的關鍵原因。

圖 2：25°C（左）和 150°C（右）的傳輸特性對 SiC 器件的影響明顯低於矽 MOSFET。

高值電阻器通常與矽 MOSFET 一起使用，以對抗負 VGS，從而減慢 di/dt 和 dv/dt。然而，對於 SiC 器件，方法是在柵極和源極之間插入二極管電壓鉗位。如果負電壓純粹是電感問題，強烈建議選擇具有開爾文源的 CoolSiC? 器件。這可能導緻 EON 損耗比冇有它的設備低三倍（圖 3）。

圖 3：為了避免 SiC MOSFET 的柵極變為負值，應考慮二極管鉗位、單獨的公共端和開爾文源。　

效率超過 99% CoolSiC? MOSFET 的另一個優勢是在漏極-源極電壓 VDS 高於 50V 左右時具有更高的輸出電容 COSS。這可以降低過沖水平，而無需實現柵極電阻。SiC 技術的 QOSS 行為也有利於硬諧振開關拓撲，因為需要更少的放電，這會影響 CCM 圖騰柱 PFC 中的 Eon 損耗。使用 48 mΩ 器件，3.3 kW CCM 圖騰柱 PFC 的效率可達到 99% 以上（圖 4），其中在雙升壓 PFC 設計中使用 CoolMOS? 的效率峰值可達 98.85%。而且，盡管 SiC MOSFET 的成本較高，但基於 SiC 的設計更具成本競爭力。

圖 4：即使是 107 mΩ CoolSiC CCM 圖騰柱 PFC 的效率也接近 99%，基本上優於的 CoolMOS? 雙升壓 PFC 方法。