碳化硅 (SiC) MOSFET 提供了巨大的新特性和功能，但它們也帶來了新的挑戰(zhàn)。ROHM 半導(dǎo)體器件使工程師能夠充分利用 SiC MOSFET，同時(shí)克服驅(qū)動(dòng)它們的挑戰(zhàn)。

擴(kuò)展MOSFET 的能力

晶體管作為數(shù)字電子產(chǎn)品的構(gòu)建塊間歇性地存在。基于半導(dǎo)體的晶體管的發(fā)明，取代了用于電氣開關(guān)的真空管，使人類在技術(shù)上取得了一些最終的飛躍。

電子產(chǎn)品中最常見的晶體管類型是 MOSFET 晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。這些晶體管利用半導(dǎo)體材料的特殊特性，允許小電流信號(hào)控制有時(shí)大得多的電流信號(hào)的開關(guān)。一種類型的MOSFET，在電力電子電路中用作開關(guān)，它經(jīng)過專門優(yōu)化，可承受高電壓并以最小的能量損失通過負(fù)載電流。

一種新的化合物半導(dǎo)體材料碳化硅 (SiC) 與硅相比，在制造這些功率開關(guān) MOSFET 方面具有多項(xiàng)優(yōu)勢，而且非常堅(jiān)硬。SiC 的擊穿電場強(qiáng)度是其 10 倍，帶隙是 3 倍，并且能夠?qū)崿F(xiàn)器件構(gòu)建所需的各種 p 型和 n 型控制。碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的 3 倍，這意味著冷卻能力是硅的 3 倍。

圖 1：半導(dǎo)體材料比較（碳化硅與硅與氮化鎵）

碳化硅又稱金剛砂，是一種由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體。它在自然界中作為一種稱為莫桑石的稀有礦物出現(xiàn)，但自 19 世紀(jì)以來一直作為磨料大量生產(chǎn)。碳化硅直到最近才進(jìn)入能夠高速運(yùn)行的高溫、高壓半導(dǎo)體器件的批量生產(chǎn)。

SiC MOSFETS 日益普及

因此，用碳化硅構(gòu)建的 MOSFET 比單獨(dú)使用硅的性能有了顯著的進(jìn)步。碳化硅 MOSFET 具有更高的擊穿電壓、更好的冷卻和溫度耐受性，因此可以做得更小。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）主要用于 600V 以上的開關(guān)電壓，但碳化硅材料使 MOSFET 可用于 1700V 和更高的電流。SiC MOSFET 的開關(guān)損耗也比 IGBT 低得多，并且它們可以在更高的頻率下運(yùn)行。

圖 2：SiC MOSFET 相對(duì)于 Si MOSFET 和 IGBT 的優(yōu)勢

由于這些和其他優(yōu)點(diǎn)，碳化硅 MOSFET 越來越多地用于工業(yè)設(shè)備的電源和高效功率調(diào)節(jié)器的逆變器/轉(zhuǎn)換器。

羅姆的解決方案

但 SiC MOSFET 也帶來了新的電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。最重要的是，它們需要高電流柵極驅(qū)動(dòng)，以快速提供所需的全部柵極電荷 (Qg)。碳化硅 MOSFET 僅在由推薦的 18V 至 20V 柵極至源極 (Vgs) 電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)才表現(xiàn)出低導(dǎo)通電阻，該電壓明顯高于驅(qū)動(dòng)硅 MOSFET 或 IGBT 所需的 10V 至 15V Vgs。

ROHM 提供了兩種互補(bǔ)的解決方案來應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 帶來的挑戰(zhàn)。首先是他們最新的 SiC MOSFET 器件的新封裝創(chuàng)新。第二個(gè)是能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20A 的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器器件。這些 ROHM 解決方案共同使工程師能夠?qū)崿F(xiàn) SiC MOSFET 器件必須提供的所有優(yōu)勢。

具有驅(qū)動(dòng)源引腳的 SiC MOSFET

ROHM 的新型?SiC MOSFET?封裝創(chuàng)新增加了一個(gè)引腳，以提供與電源分離的驅(qū)動(dòng)源。在傳統(tǒng)的 3 引腳 FET 中，由于引腳的電感和流經(jīng)器件的高負(fù)載電流而在源極引腳上產(chǎn)生的電動(dòng)勢有效地降低了晶體管所見的 Vgs。這個(gè)較低的 Vgs 抑制了晶體管的完全導(dǎo)通。在具有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)源引腳的新設(shè)備中，該引腳提供從柵極驅(qū)動(dòng)器到內(nèi)部晶體管源的直接訪問。從而避免了電源引腳上的電感效應(yīng)。

圖 3：傳統(tǒng) 3 引腳 MOSFET 與具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)源引腳的新封裝

具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)源引腳的 SiC MOSFET 有 4 引腳或 7 引腳封裝。4 引腳封裝為 TO-247-4L，由 ROHM 部件號(hào) SCT3xxxAR 或 SCT3xxxKR 指定。7 引腳封裝為 TO-263-7L，由 ROHM 部件號(hào) SCT3xxxAW7 或 SCT3xxxKW7 指定。

圖 4：具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)源引腳的 SiC MOSFET 封裝

圖 4：具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)源引腳的 SiC MOSFET 封裝

大電流柵極驅(qū)動(dòng)器

ROHM 具有電流隔離功能的新型晶體管柵極驅(qū)動(dòng)器 ( BM6112 ) 非常適合應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 的獨(dú)特挑戰(zhàn)。它可以驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20A 的大電流，驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20V 的柵極電壓，并且以小于 150ns 的最大 I/O 延遲完成所有操作。該柵極驅(qū)動(dòng)器具有令人印象深刻的特性和資格，包括 3750 Vrms 隔離、欠壓鎖定 (UVLO) 和短路保護(hù)，使設(shè)計(jì)人員能夠充分利用 SiC MOSFET。

大多數(shù)傳統(tǒng) FET 柵極驅(qū)動(dòng)器無法直接驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET，因此它們需要在柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET 之間使用緩沖器。然而，BM6112 在大多數(shù)情況下可以直接驅(qū)動(dòng)單個(gè) SiC MOSFET。然而，在驅(qū)動(dòng)電源模塊時(shí)，幾乎總是需要柵極驅(qū)動(dòng)緩沖器。

BM6112 符合汽車標(biāo)準(zhǔn) (AEC-Q100)，適用于汽車、工業(yè)逆變器和 UPS 系統(tǒng)應(yīng)用。

創(chuàng)新救人

SiC 半導(dǎo)體材料的使用代表了 MOSFET 器件技術(shù)的飛躍。碳化硅 MOSFET 速度快、電壓高、溫度高。它們有望在許多應(yīng)用中取代 IGBT，具有更快的運(yùn)行速度、更小的尺寸和更低的損耗。通過添加單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)源引腳和用于驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 柵極的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的封裝創(chuàng)新，設(shè)計(jì)人員可以在其設(shè)計(jì)中充分利用 SiC MOSFET 的優(yōu)勢。

審核編輯：郭婷