SiC MOSFET與同等硅器件相比優勢在哪？

談起電源轉換器的設計，諸如碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBG）技術是當今進行器件選擇時的現實考慮。650V SiC MOSFET的推出使它們對于某些以前從沒有考慮過的應用更具吸引力，這些器件在高效硬開關拓撲結構中表現出非常好的耐用性，因而是實現千瓦級電源解決方案功率因數校正（PFC）應用的理想選擇。而且，由于它們還支持更高的開關頻率，因此可以選擇較小的磁性元件，從而縮小了許多設計的體積。

沒有免費午餐

盡管寬禁帶器件有很多好處，但僅僅通過用SiC MOSFET替換硅基器件留下的空間并不能實現這些優勢。工程師需要花一些時間來了解寬禁帶器件的特性，以充分利用新器件帶來的全部益處，同時還要了解他們各自的局限性和失效模式。CoolSiC器件中體二極管的正向電壓比硅MOSFET高四倍，因此LLC轉換器在輕負載下效率可能下降0.5％。通過利用溝道進行升壓，而不是通過體二極管，還可以實現PFC拓撲架構的高效率。

工作溫度范圍內導通電阻與硅相當

一個關鍵的比較參數是導通電阻RDS（on）。硅MOSFET表面的參數看起來比SiC更好，但由于其較低的倍增系數（κ），在100℃時，一個84mΩ的CoolSiC器件與57mΩ的CoolMOS器件具有相同的RDS（on）（見圖1）。與硅MOSFET相比，CoolSiC還具有更高的擊穿電壓V（BR）DSS，使其在需要低溫環境下啟動的應用中非常有益。

圖1：CoolSiC器件溫度對RDS（on）的影響比CoolMOS小，因此在典型工作溫度范圍內導通電阻變化不大。

EiceDRIVER系列仍然是CoolSiC MOSFET的理想協同器件。但是，為了獲得數據表中定義的較低RDS（on），需要18V的柵極電壓（VGS），而不是硅MOSFET的典型12V。如果選擇新的柵極驅動器，則需要選擇一個具有13V欠壓鎖定功能的驅動器，以確保目標應用在異常條件下安全運行。SiC的另一個好處是，在25～150℃之間溫度對傳輸特性的影響有限（見圖2）。

圖2：在25℃（左）和150℃（右）時的傳輸特性表明，SiC器件受到的影響比硅MOSFET低很多。

避免柵極負電壓

柵極負電壓會導致SiC MOSFET長期退化，從而導致潛在故障。因此，設計工程師應絕對保證VGS不會在低于-2V以下運行超過15ns。如果發生這種情況，柵極閾值電壓（VGS（th））的漂移可能會導致在整個應用壽命期間RDS（on）增大，最終這會導致來之不易的系統效率下降，在許多情況下正是由于高效率才會選擇SiC。

對于硅MOSFET，通常需要使用一個高值電阻以避免出現負VGS，從而減慢di/dt和dv/dt。但是，對于SiC器件，首選方法則是在柵極和源極之間插入一個二極管電壓鉗位。如果負電壓純粹是一個電感問題，則強烈建議選擇帶有開爾文源（Kelvin source）的CoolSiC器件，這可能導致EON損耗比沒有它的器件低三倍（見圖3）。

圖3：為避免SiC MOSFET的柵極電壓為負，應考慮采用二極管鉗位、獨立的公共端和開爾文源。

實現高于99％的效率

CoolSiC MOSFET的另一個優點是，在漏-源極電壓VDS高于50V時，它們具有更高的輸出電容COSS，這樣可以降低過沖水平，而無需采用柵極電阻。SiC技術的QOSS特性還有利于采用硬開關和諧振開關拓撲架構，原因是所需的放電更少，這會影響連續導通模式（CCM）圖騰柱PFC中的Eon損耗。采用48mΩ器件，對于3.3kW CCM圖騰柱PFC而言，效率可以達到99％以上（見圖4），在雙升壓（Dual Boost）PFC設計中使用CoolMOS可能獲得的最高效率峰值為98.85％。而且，盡管SiC MOSFET的成本較高，但基于SiC的設計總體上更具成本競爭力。

圖4：即便107mΩ的CoolSiC CCM圖騰柱PFC其效率也接近99％，大多都超過了最佳CoolMOS雙升壓PFC方式。

結論

SiC MOSFET與同等硅器件相比具有一系列優勢，再加上其在硬開關應用中的耐用性，使其在大多數高效功率轉換應用中值得考慮。650V CoolSiC系列的推出使SiC MOSFET技術對于那些需要將功率轉換效率推向極限的應用更加經濟可行。
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