碳化硅 (SiC) MOSFET：為汽車電氣化的未來提供動力

隨著人們更加注重可持續性發展的經濟新模式，我們的居住方式、工作狀態以及使用車輛的通勤和休閑方式都在發生相應的變化。尤其是在交通運輸領域的變革，因為我們需要減少對化石燃料等不可再生資源的依賴，以減輕對環境的影，推動了一系列能夠顯著提升效率并加快電氣化轉變的產品的問世。

功率半導體技術近年來快速進步，配備了碳化硅(SiC)MOSFET的電動汽車(EV)如今能夠行駛更遠的距離，并能夠更快地充電，這使得電動汽車在擁擠和人口密集的城市地區成為內燃機(ICE)車輛的有效替代選擇。

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設計電動汽車子系統如牽引逆變器、車載充電器(OBC)和DC-DC轉換器的工程師現在有多種SiC電源產品可供選擇。市面上不乏供應商提供的多樣SiC產品，不論是平面還是溝槽式的MOSFET，通常都采用垂直式設計，并提供不同的封裝和芯片尺寸選項。

Qorvo公司就采用了一種常開型的垂直FET，這種FET以Cascode結構的形式出現，將常開JFET與硅低壓MOSFET串聯起來。這種設計不僅是為了實現高效的常關開關，它還擁有獨特的特性，使其在多種電路拓撲中成為最優解決方案。

電動汽車主要由逆變器、OBC、DC-DC轉換器、PTC(正熱系數)加熱器和電動壓縮機等模塊構成。SiC的使用可以使這些組件更小、更輕、效率更高，從而延長車輛的續航里程。電動汽車的普及不可或缺的是充電樁這一基礎設施，無論是工業充電站、快速直流充電器還是無線充電器，它們都需要具備高效率、低成本、易于熱管理的特點，以便實現快速充電，并且具有具有競爭力的每千瓦時的能源成本。SiC元件在這些方面的表現再次卓越無比。最為重要的是，電動汽車和充電器正從400V向800V演變，這不僅延長了續航里程，還使得電池充電時長與內燃機汽車加油時長趨于一致。

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SiC MOSFET 技術的優勢

正如我們提到的，Qorvo的垂直SiC FET采用的是Cascode架構，這種設計就像是一種常斷式開關。這種結構和它的兩種不同封裝實現方式——常開SiC JFET與硅MOSFET的并排或堆疊連接方式——都非常清晰直觀。Qorvo還提供了高壓非共源共柵常開型SiC JFET，電壓范圍為650V至1700V，導通電阻范圍為25mΩ至1000mΩ，這些都是為固態斷路器(SSCB)、繼電器和隔離開關等應用優化設計的。與傳統機電斷路器相比，SSCB具有超快的響應時間(數微秒)，可以防止對敏感和重要部件的損壞，并確保乘客安全。這些設備可以設定在特定的電流水平下自動跳閘。

SiC MOSFET提供650V、750V、1200V和1700V的電壓，部分型號符合AEC-Q101標準。對于給定的芯片尺寸或任何行業標準封裝，Qorvo的SiC MOSFET都展現出了最低的行業導通電阻(即RDS(on)乘以芯片尺寸品質因數)，這是因為它們沒有溝道電阻率的影響，這一點在MOSFET中是無法做到的。SiC FET的溝道遷移率在300至600cm^2/(V·s)之間，而SiC MOSFET的溝道遷移率只有10至20cm^2/(V·s)。與額定值類似的MOSFET相比，這樣的特性能夠顯著減少傳導損失。

但是SiC MOSFET還有其他一些在功率轉換拓撲中非常關鍵的特性：相比同等電壓等級和導通電阻的產品，它具有更低的寄生電容，這意味著快速切換能力、低輸出電容損耗和快速的零電壓切換(ZVS)電壓轉換。換言之，在瞬態模式下，SiC FET在RDS(on)和COSS品質因數方面的表現也是優異的。

此外，SiC MOSFET不含柵極氧化物，這意味著不存在柵極介電可靠性問題，它們與市面上現有的標準硅柵極驅動器完全兼容。它們還具有超低的反向恢復電荷(QRR)，這對于無橋PFC(功率因數校正)拓撲來說是非常理想的。作為參考，Qorvo UJ4C075018K4S型號的QRR僅為102nC，遠遠低于最優秀的超結構MOSFET。

在源極和漏極二極管的正向壓降方面，SiC MOSFET也展現出了最低值。在電源電路中的很多開關都會在死區時間的延時期間以反向模式傳導電流，這時SiC MOSFET在源極至漏極處的電流導通時，由于其較高的電壓壓降通常高于4V，因此本征二極管的壓降很高。但SiC FET沒有這種二極管，在Cascode的低壓MOSFET中，即便在反向導通期間，其壓降也明顯較低，大約是SiC MOSFET的三分之一。這一點特別值得注意，因為較低的VFSD可以減少死區時間的損耗，非常適合高頻軟開關應用。

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在軟開關操作中，當在死區時間內應用ZVS時，開通損耗微乎其微，而導通損耗成為總損耗的關鍵組成部分。關斷仍然是硬開關，因此低關斷能量Eoff是可取的。此外，存儲在COSS中的能量被回收。所有這些條件為功率器件設定了一定的要求，這些要求都能被Qorvo SiC FETs滿足：

1、從 D 到 S 以及從 S 到 D 兩個電流方向的傳導損耗都很低

2、低關斷能量 Eoff

3、過渡模式 Coss(tr)?? 下的低輸出電容可在死區時間內實現快速 ZVS，因此具有更高的工作頻率和更高的功率密度

4、低柵極電荷 Qg

5、最小熱阻

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系統成本的大幅降低在很大程度上依賴于可以通過高體積自動組裝SMT(表面貼裝技術)器件來降低的制造成本。一個例子是7引腳的D2PAK，由于其6.7毫米的爬電距離而能夠安裝650V到1700V范圍的FET，同時不影響熱性能。

降低成本的另一個因素是使用標準的門極驅動器，這些驅動器確保15V VGS下的全開通，并且不需要負門極驅動就能有效關斷。最大±20V的門極電壓額定值與Si IGBT和Si MOSFET完全兼容。此外，具有集成鉗位二極管的LV MOSFET在ESD保護方面增加了額外的功能。

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Qorvo的芯片安裝技術基于銀燒結，與傳統焊接接頭相比，熱導率提高了六倍。圖3展示了JFET安裝到引線框架和低壓MOSFET安裝到JFET的芯片附著過程。得益于銀燒結芯片附著的卓越性能以及從厚銅引線框架的良好熱擴散，可以實現非常優秀的熱阻值。

對于額定值為750V/11 mW且Tjmax=175°C的G4 SiC FET，RQ(結-殼)為0.33 °K/W，優于競爭對手部件的650V/15 mW MOSFET(0.35 °K/W)，后者的芯片尺寸大60%。

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Qorvo SiC FET基于獨特且有區別的JFET技術加上Cascode架構，特別適用于需要低RDS(on)、低VFSD、低Eoff和低Coss(tr)的軟開關應用。典型應用包括HV DC/DC變換器和電動車上的板載充電器的DC/DC階段。

超低QRR使得全橋無橋PFC的高效率成為可能，因此它們可以方便地用于板載充電器的AC-DC PFC階段。任何封裝選項的最低導通電阻也是一項利于低頻應用(如PTC加熱模塊)的良好特性。最后，AEC級別的SMT封裝選項具有低熱阻RQ(結-殼)和高爬電能力，使得設計和制造更加容易。