本文來源：安森美

本文作者：Fatih Cetindag，安森美汽車電源部應用工程師碳化硅 (SiC) 具有比硅 (Si) 更高的介電擊穿場強、能帶隙和熱導率，電力電子設計人員可以利用這些特性來開發(fā)比硅基IGBT器件效率更高、功率密度更大的電源轉(zhuǎn)換器。針對這些應用，為了最大限度地減少高頻下的導通和開關損耗，需要使用低RDS(on)和低Qrr（體二極管反向恢復電荷）的器件。
本文將介紹三相功率因數(shù)校正 (PFC) 轉(zhuǎn)換器的器件特性測試和仿真結果，轉(zhuǎn)換器使用兩款TO247-4L封裝的不同SiC MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管) 實現(xiàn)。被測器件之一來自安森美 (onsemi) 新推出的EliteSiC M3S系列，其針對低開關損耗進行了優(yōu)化，另一款被測器件來自競爭對手，其基本參數(shù)如表1所示。本文還討論了器件參數(shù)如何影響相對性能。

了解MOSFET用作開關時的功率損耗開關器件中的功率損耗可分為導通損耗和開關損耗。由于電流或電壓不可能瞬時改變電平，因此存在上升和下降時間，開關損耗也就隨之產(chǎn)生。對于功率 MOSFET 的電壓和電流，上升和下降時間取決于器件寄生電容的充放電速度。此外，體二極管的反向恢復電荷也會造成開關損耗。另一方面，當器件“開啟”傳導電流時，器件會有導通損耗。器件的動態(tài)參數(shù)決定開關損耗，而導通損耗則與靜態(tài)參數(shù)有關。通過研究這些參數(shù)，設計人員可以深入了解器件性能與功率損耗大小的關系。影響開關損耗的主要參數(shù)是器件電容（Coss、Ciss和Crss）和體二極管反向恢復電荷 (Qrr)。相比之下，造成導通損耗的主要因素是RDS(on)和VSD（體二極管壓降）。動態(tài)特性測試首先，在不同條件下使用雙脈沖測試裝置進行動態(tài)特性測試，以比較每個MOSFET的關鍵參數(shù)，如圖1所示。然后進行三相PFC仿真，以比較每個MOSFET的整體系統(tǒng)效率。

圖 1：雙脈沖測試電路簡化示意圖
表1：兩款被測器件的資料手冊信息
靜態(tài)參數(shù)比較

RDS(on)和VSD（體二極管壓降）是最重要的靜態(tài)參數(shù)，我們在多種測試條件下進行了測試。安森美NVH4L022N120M3S與競爭對手A的備選SiC MOSFET進行了對比測試。表2中總結的結果表明，在所有測量的溫度和電流下，安森美NVH4L022N120M3S性能更優(yōu)越，其VSD均更低。根據(jù)這些結果可知，其導通損耗更低。
表2：不同測試條件下VSD的比較

RDS(on) 是另一個可用于預測器件導通損耗的關鍵參數(shù)。因此，在25°C和175°C結溫下對兩個器件的RDS(on)參數(shù)進行了測定。RDS(on)的測量在15V和18V兩種柵源電壓下進行，使用300μs的導通脈沖寬度。測試結果表明，競爭產(chǎn)品A在每種測試條件下的RDS(on)都略低，這說明在給定結溫下，其導通損耗低于M3S。
圖2：兩個MOSFET在25°C

（左）和175°C（右）下的RDS(on)比較動態(tài)參數(shù)SiC MOSFET中不存在少數(shù)載流子，因此尾電流不會像在Si IGBT中那樣影響性能，結果是關斷損耗顯著降低。此外，SiC器件具有比Si MOSFET更低的反向恢復電荷，因此峰值導通電流更小，導通損耗更低。輸入電容(Ciss)、輸出電容 (Coss)、反向傳輸電容 (Crss) 和反向恢復電荷 (Qrr) 是造成開關損耗的主要參數(shù)，值越小通常損耗越低。在開關應用中，開關瞬態(tài)間隔期間的漏源電壓顯著高于 6V，因此高電壓區(qū)域是這些開關曲線的關鍵部分。當VDS≥6V時，NVH4L022N120M3S的Ciss、Coss和Crss值更低（圖3），這意味著其導通損耗和關斷損耗低于競爭產(chǎn)品A。

圖3：輸入Ciss、輸出Coss和反向傳輸Crss電容的比較

在25°C和175°C時，通過雙脈沖測試在多種負載電流條件下測量了兩款器件的開關損耗，如圖4和圖5所示。測試條件如下：

• Vin=800V
• RG=4.7?
• VGS_on=+18V
• VGS_off=?3V
• ID=5?100A
  

平均而言，與競爭產(chǎn)品A相比，對于10A至100A的負載電流，M3S的開關損耗在25°C時要低5%，在175°C時要低9%。主要原因是得益于安森美的M3S工藝技術，其EON損耗更低。

圖4.25°C 時的開關損耗比較
圖5.175°C時的開關損耗

如前所述，MOSFET的反向恢復行為也會影響開關損耗。該參數(shù)的測試條件為：ID=40A，di/dt=3A/ns（調(diào)整RG值以獲得相同di/dt），溫度為25°C。測試結果表明，M3S的反向恢復時間更短，反向恢復電荷更低，反向恢復能量更低，因此其反向恢復性能優(yōu)于競爭產(chǎn)品A。

圖6：M3S（左）和競爭產(chǎn)品 A（右）的反向恢復損耗比較

常用汽車拓撲中的 MOSFET 性能仿真

升壓型PFC和具有兩個電感 (LL)、一個電容 (C) 的LLC，是汽車車載充電器和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中常用的電路拓撲。升壓型三相PFC拓撲包括六個開關器件，而全橋LLC拓撲有四個開關器件，次級側(cè)還有同步整流器。
圖7：升壓型三相PFC（左）和全橋LLC（右）

評估完導通損耗和開關損耗之后，接下來對三相升壓型PFC電路進行仿真（利用PSIM），使用以下測試條件分別比較采用每種類型MOSFET的系統(tǒng)效率：

• VaLL=VbLL=VcLL=400V
• fline=50Hz
• RG=4.7?
• VOUT=800V
• fSW=100kHz
• POUT=11kW（最大值）

仿真結果表明，對于相同的系統(tǒng)設計，采用NVH4L022N120M3S的三相升壓PFC系統(tǒng)在所有工作點上都表現(xiàn)出比競爭產(chǎn)品A更高的效率。
圖8：仿真估算：不同功率水平下的效率比較M3S 是開關應用的更優(yōu)選擇

在電力電子應用中，SiC 器件相比傳統(tǒng)硅基器件具有多項優(yōu)勢，包括更高的效率、更低的開關損耗和導通損耗，以及能夠在更高頻率下工作，從而支持更高功率密度的設計。與類似的競爭器件相比，安森美的 M3S 技術提供更勝一籌的開關性能和品質(zhì)因數(shù)，包括ETOT、Qrr、VSD和整體系統(tǒng)效率。M3S技術專為滿足電動汽車高頻開關應用（如車載充電器和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器）的要求而打造。M3S MOSFET旨在實現(xiàn)導通損耗和開關損耗之間的平衡，從而適用于PFC和其他硬開關應用。