為了滿足設(shè)計(jì)人員對更高性能、更高效系統(tǒng)的需求，UnitedSiC 宣布了新的 SiC FET，可實(shí)現(xiàn)更高水平的設(shè)計(jì)靈活性，最顯著的是 750 V、6 mΩ 的解決方案，其穩(wěn)健的短路耐受時(shí)間額定值為 5微秒。

UnitedSiC 工程副總裁 Anup Bhalla 采訪時(shí)表示，R DS（on）達(dá)到 6 mΩ在業(yè)界是前所未有的，而且擴(kuò)展到 750 V 的 18 和 60 mΩ 器件組使設(shè)計(jì)人員具有更大的設(shè)計(jì)靈活性，以實(shí)現(xiàn)最佳的成本/效率權(quán)衡，同時(shí)保持充足的設(shè)計(jì)余量和電路穩(wěn)健性。

碳化硅場效應(yīng)管

UnitedSiC 已開發(fā)出采用共源共柵排列的SiC，適用于需要常斷器件的電力電子應(yīng)用（圖 1）。功率 MOSFET 放置在共源共柵配置中的 JFET 頂部，并且將兩者封裝在一起以實(shí)現(xiàn)非常低的熱阻。

圖 1：UnitedSiC 的 SIC JFET 和 SiC 共源共柵排列 FET

在采訪中，Bhalla 指出，這些好處是通過品質(zhì)因數(shù) （FOM） 來量化的，例如R DS（on） × 一個(gè)可表示為單位管芯面積傳導(dǎo)損耗的量度，因此R DS（on） × E oss / Q oss用于評估硬開關(guān)應(yīng)用。FOM R DS（on） × C oss（tr）另一方面，在軟開關(guān)應(yīng)用中至關(guān)重要；Bhalla 說，UnitedSiC 器件在 750 V 下的值比在 650 V 下評估的其他解決方案低約 30%。評估 FOM 的選擇來自考慮不可能擁有限制 EMI 的理想零電感，從而限制開關(guān)頻率。

將 SiC FET 與 SiC MOSFET 進(jìn)行比較時(shí)，通道中的電子遷移率要好得多，在相同電阻下允許使用更小的芯片，從而在相同的芯片面積下實(shí)現(xiàn)更低的電容和更快的開關(guān)或更低的 R DS（on），這是一個(gè)關(guān)鍵衡量在給定的性能和成本節(jié)約情況下，每個(gè)晶圓有更多芯片的潛力。導(dǎo)通電阻和輸出電容之間的相互作用由 C oss量化，輸出電容在給定額定電壓下會產(chǎn)生或多或少的開關(guān)損耗。

在圖騰柱 PFC 或標(biāo)準(zhǔn)兩電平逆變器等硬開關(guān)電路中，低 R DS（on）和低輸出電容以及接近零的電壓可提供卓越的反向恢復(fù)電荷 （Q rr ） 和低 E oss /Q oss與以前的版本相比。器件中使用了具有低正向壓降 （1.75 V） 的卓越且有彈性的集成二極管。在 LLC 或 PSFB 等高頻軟開關(guān)諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校琔nitedSiC 第 4 代 SiC FET 可提高性能。

“在我們的器件中，碳化硅中沒有 pn 結(jié)體二極管；相反，這是在 MOSFET 中，”Bhalla 說。“對于硬開關(guān)應(yīng)用，SiC FET 的集成體二極管在恢復(fù)速度和正向壓降方面優(yōu)于 Si MOSFET 技術(shù)。”

通過改進(jìn)的晶圓減薄工藝和銀燒結(jié)芯片連接，第 4 代技術(shù)降低了從器件到外殼的耐熱性。在要求苛刻的應(yīng)用中，這些特性允許最大功率輸出，同時(shí)保持最小的芯片溫升。

“每一代，我們的芯片都變得越來越小，但我們需要應(yīng)對的功率水平并沒有改變；在所有這些中，燒結(jié)技術(shù)至關(guān)重要，我們將繼續(xù)改進(jìn)它，”Bhalla 說。“因此，為了解決第 4 代的散熱問題，我們將碳化硅芯片做得更薄；隨著芯片變薄，芯片的電阻下降，但熱阻也隨之降低。然而，由于薄晶片容易破裂，因此處理起來極其困難。在這里，需要大量的工程設(shè)計(jì)，這表明規(guī)劃費(fèi)用減少了，而且我們已經(jīng)顯著降低了 R DS（on）。”

UnitedSiC 的公告包括 SiC FET 750-V 系列的九種新器件/封裝選項(xiàng)，額定值為 6、9、11、23、33 和 44 mΩ。所有器件均采用 TO-247-4L 封裝，而 18-、23-、33-、44- 和 60-mΩ 器件也采用 TO-247-3L 封裝。Bhalla 指出，封裝的差異是由于開關(guān)模式下的不同電流處理，其中電感可能是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。

圖 2：具有 5 μs 短路耐受時(shí)間額定值的最低 R DS（on） SiC FET

應(yīng)用

改進(jìn)的開關(guān)和 R DS（on）允許在電動汽車中實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的新應(yīng)用，例如牽引驅(qū)動和車載和非車載充電器，以及可再生能源逆變器、功率因數(shù)校正、電信轉(zhuǎn)換器的所有功率轉(zhuǎn)換階段，以及一般的 AC/DC 或 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換。Bhalla 指出，額定電壓為 750V 時(shí)，400V 或 500V 電池/總線電壓應(yīng)用具有更大的設(shè)計(jì)靈活性。

“我們的 SiC 器件具有極低的 R DS（on）特性，可將太陽能逆變器和儲能等可再生能源設(shè)備的散熱量限制在最低限度，”Bhalla 說。“從電路保護(hù)的角度來看，SiC JFET 的低 R DS（on）使其與低接觸電阻繼電器和接觸器相比非常具有競爭力。”

EV 中還包括將牽引電池電壓隔離到 12 V 的下變頻步驟，這通常使用 LLC 轉(zhuǎn)換器完成，這是目前最有效的架構(gòu)。為了獲得最佳性能，LLC 轉(zhuǎn)換器在高頻下進(jìn)行諧振開關(guān)，而 SiC FET 可能是一個(gè)很好的選擇。

據(jù) UnitedSiC 稱，牽引逆變器可以節(jié)省最大功率，并且 SiC FET 可以替代 IGBT。即使使用 SiC 器件，開關(guān)頻率也保持在 8 kHz 左右，因?yàn)榇判栽?a target="_blank">電機(jī)，它不會隨著逆變器開關(guān)頻率的升高而縮小尺寸。單個(gè) IGBT 及其并聯(lián)二極管可以被六個(gè)并聯(lián)的 6 米 SiC FET 替代，從而使半導(dǎo)體效率在 200 kW 輸出時(shí)提高 1.6% 至 99.36%，表明功率損耗降低了 3 kW。

圖 3：3.6 kW 圖騰柱 PFC 中的 750-V 第 4 代 UnitedSiC FET 性能。彩色條表示使用不同設(shè)備的功率損耗，所有這些設(shè)備都可以使用，但在滿載時(shí)提供不同的效率。

據(jù) Bhalla 稱，圖 3 比較了 3.6 kW 圖騰柱功率因數(shù)校正 （TPPFC） 電路的許多組件，展示了新型 SiC FET 的設(shè)計(jì)多功能性。TO-247-4L FET 有 18 米或 60 米的長度可供選擇，是 TPPFC 應(yīng)用的理想選擇。圖 3 描繪了新型 23、33 和 44 米 750V SiC FET 的性能，它們的峰值效率超過 99.3%。據(jù) UnitedSiC 稱，UJ4C075018K4S 是設(shè)計(jì)人員的理想選擇，他們希望最大限度地提高滿載效率，同時(shí)最大限度地減少熱管理需求。如果輕到中負(fù)載效率和性價(jià)比對客戶很重要，UJ4C075023K4S 或 UJ4C075033K4S 是不錯(cuò)的選擇。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 UJ4C075044K4S 和 UJ4C075060K4S 產(chǎn)品為低功耗（例如 1.5 kW）系統(tǒng)和低成本解決方案定制他們的選擇。

審核編輯：郭婷