摘要
本文评测了主开关采意图法半导体新产品650V SiC MOSFET的直流-直流升压转换器的电热特性，并将SiC碳化硅器材与新一代硅器材做了全面的比较。测验成果证明，新SiC碳化硅开关管提升了开关功能标杆，让体系具更高的能效，对商场上现有体系规划影响较大。
前语
商场对开关速度、功率、机械应力和热应力耐受度的要求日益进步，而硅器材理论上正在挨近功能上限。
宽带隙半导体器材因电、热、机械等各项功能体现俱佳而被业界看好，被认为是硅半导体器材的代替技能。在这些新资料中，兼容硅技能制程的碳化硅(SiC)是最有远景的技能。碳化硅资料的电气特性使其适用于研制高击穿电压器材，可是，远高于一般硅器材的制作本钱约束了其在中低压器材中的推广运用。在600V电压范围内，硅器材的功能十分好，性价比高于碳化硅器材。不过，运用要求芯片有更高的功能，而硅器材现已达到了极限。最近几年，人们愈加重视环境、能效和污染问题，导致电气能效规范趋严，这不只限于大功率运用，还包含低负载运用。现在，开关频率可以更高，一起开关损耗可以降至更低，本文介绍的650V碳化硅晶体管特别合适这种运用场景。
第一章
表1是4H SiC碳化硅器材与硅器材的特性比较表。如表1所示，碳化硅的宽带隙使电力电子器材具有许多优异特性。
表1. 碳化硅与硅资料特性比较
更高的要害运用允许运用掺杂程度更高的超薄裸片，使其损耗比其它芯片低许多。碳化硅热导率比硅器材高出许多，因而，功率损耗散热导致的温降在整个器材上都比较低。由于碳化硅的熔点温度更高，可以作业在400 °C范围内，这些特性让人们愈加看好碳化硅器材在开关速度、损耗、Rdson导通电阻、击穿电压方面的功能体现。事实上，击穿电压高于1200V的碳化硅器材深受商场欢迎。是否挑选超高击穿电压的碳化硅器材，不只要考虑电气特性，还要考虑碳化硅的制作本钱高于硅器材。关于600V电压以下碳化硅产品，曾经市面上只要2吋或3吋碳化硅晶圆片，并且出产设备十分贵重，因而，碳化硅器材的性价比不如硅器材。今日，4吋和6吋碳化硅晶圆片十分常见，商场对碳化硅器材需求添加可以让厂商下降制作本钱。600V SiC MOSFET开端出现在商场上，具有令人感兴趣的特性，适用于各种运用领域。
新器材: 650V SiC MOSFET
如前文介绍，硅功率MOSFET器材的功能正在挨近极限。意法半导体开宣布一个60兆欧姆 /650 SiC MOSFET产品原型，克服了600V功率MOSFET的功能极限。为证明这款650V SiC MOSFET的优势，咱们将其与当时最先进的超结功率MOSFET比照。表 2 列出了这两种比照器材的电气参数。为了使测验条件具有可比性，咱们挑选两款150°C时RDSon参数类似的硅器材和碳化硅器材。
表2.
不难发现，Rdson参数对应的热导系数不同。如图1所示，碳化硅器材的Rdson基本上与温度无关，最高结温高于同级的硅器材，这允许作业温度更高，而不会导致损耗添加。开关损耗也是如此，见图2。
图1：归一化Ron SiC MOSFET与硅MOSFET比照
图2：SiC Eoff-温度曲线
两个器材的另一个重差别是驱动这两个器材彻底导通需求不同的栅电压，硅MOSFET是10V，碳化硅MOSFET是20V。
事例研讨: 升压转换器
咱们在一个规范升压转换器(图3)内比照剖析650V SiC MOSFET与先进的硅器材，为了解650V SiC MOSFET的特性，咱们用100 Khz和200KHz开关频率进行比照。
图3：升压转换器
测验条件如下:
VIN=160V，VOUT=400V，POUTmax=1600W，占空比=60%，升压二极管 = 碳化硅STPSC2006。栅驱动条件:
· 硅MOSFET: VGS=0/10V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω
· 碳化硅MOSFET: VGS=0/20V, RGON=5.6Ω, RGOFF=2.2Ω
为下降外部要素对测验成果的影响，咱们选用了封装(TO247)相同的硅MOSFET和碳化硅MOSFET，装置相同的空气冷却式散热器，记载并比较在各种负载条件下的能效。如图4(a)和(b)所示，在fsw=200KHz时,碳化硅MOSFET的开关特性优于硅器材(100 Khz开关频率也是如此)，从图5 (a)和(b)的能效和热曲线不难看出，碳化硅MOSFET的开关特性显着优于硅器材。
图4(a)Eoff，开关损耗
图4(b)Eon，开关损耗
图5(a)满负载时的能效
图5(b)满负载时的温度
在100 Khz和200 KHz开关频率时，两个测验显现，碳化硅MOSFET能效更高，封装温度更低。从图中不难看出，当高频率开关时，碳化硅的优势比较突出。
定论
新650V碳化硅MOSFET是面向高能效体系的最新产品。在硬开关运用中，这款产品可以进步能效，选用新的热管理方法，进步了功率/立方厘米比。关于其固有参数，这款产品将可以用于软开关运用，这是将来的研制方针。
