性能是一個主觀術語 - 它可以以任意多種方式進行衡量，但在功率轉換領域，它歸結為兩個相互依賴的主要值，效率和成本。眾所周知，硅作為半導體開關材料在傳導和動態損耗性能方面都達到了極限，因此越來越多地考慮碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術以獲得更好的性能。這些材料更好的介電擊穿特性允許更薄、更高的摻雜阻隔層和更低的導通電阻，而較小的芯片尺寸也降低了器件電容，降低了動態損耗。與硅相比，損耗較低，但在實踐中，寬帶隙器件的某些方面更差——SiC MOSFET 和 GaN HEMT 晶體管通常需要嚴格控制的柵極驅動條件才能獲得最佳性能。與硅開關相比，還存在一系列困難的差異，例如SiC MOSFET柵極閾值的可變性和遲滯以及GaN中缺乏雪崩額定值。

碳化硅場效應晶體管更接近理想開關

接近理想、實用的開關并不一定是一個巨大的飛躍——如果將簡單的垂直溝槽 SiC JFET 與硅 MOSFET 結合使用，您將獲得更低的歸一化總損耗、簡單、非關鍵的柵極驅動以及具有高雪崩和短路額定值的堅固部件。該器件為碳化硅FET級聯碼，如圖1（右）所示，左圖為碳化硅MOSFET。SiC MOSFET中的溝道電阻R溝道被SiC FET中的低壓Si MOSFET的電阻所取代，后者具有更好的反轉層電子遷移率，因此損耗更低。SiC FET 具有較小的相對芯片面積，尤其是將共封裝的 Si MOSFET 堆疊在頂部時。

圖 1：碳化硅 MOSFET（左）和碳化硅場效應晶體管（右）架構比較

比較現實生活中的性能最好使用“品質因數”（FoM），該品質因數結合了給定芯片尺寸的不同應用中傳導和開關損耗的貢獻，這對于每個晶圓的良率以及成本非常重要。圖 2 顯示了一個選擇，將可用的 650V 碳化硅 MOSFET 與 UnitedSiC 的 750V 第四代碳化硅 FET 進行了比較。RDS（ON）xA或每單位面積的導通電阻是一個關鍵的FoM，對于給定的損耗性能，較低的值表示芯片面積較小，每晶圓的良率越高。另一個FoM，RDS（ON）氙氣開放源碼軟件，，或導通電阻和輸出開關能量的乘積，表征了導通和開關損耗之間的權衡，這在硬開關應用中很重要。福姆·DS（ON）xCOSS （tr），導通電阻與時間相關輸出電容表示高頻軟開關電路中的相對效率性能。一個重要的比較是積分二極管的正向壓降。在碳化硅場效應管中，VF是硅MOSFET體二極管壓降加上第三象限中的JFET電阻壓降之和，其總和約為1至1.5V。對于SiC MOSFET，該參數值可能超過4V，在電流通過集成二極管換向的應用中，在開關死區時間內會導致顯著的傳導損耗。圖中與導通電阻相關的FoM在25°C和125°C下顯示，表明SiC FET在實際條件下具有出色的性能。

圖 2：碳化硅場效應管和碳化硅 MOSFET 之間的 FoM 比較

3.6kW 碳化硅場效應晶體管圖騰柱 PFC 級演示器峰值效率為 99.3%

也許SiC FET性能的最佳演示是在典型應用中 - 圖騰柱PFC級。長期以來，該電路一直被認為是交流線路整流和功率因數校正相結合的潛在高效解決方案，但它在高功率下很難開關，硅MOSFET技術會產生不可接受的動態損耗。SiC FET 解決了這個問題，UnitedSiC 的 3.6kW 演示器在 99VAC 時顯示出 3.230% 的峰值效率，有助于更輕松地實現 80+ 鈦系統效率等級（圖 3）。電路“快速”支路的兩個8毫歐碳化硅場效應管中的每一個僅耗散18W，硅MOSFET用作“慢”支路的同步交流線路整流器。這些可以用硅二極管代替，以獲得低成本的解決方案，仍然可以實現99%+的效率。該圖還顯示了并聯 60 毫歐 SiC FET 或每個快速支腿開關的單個 18 毫歐 SiC FET 所獲得的結果。

圖 3：使用 SiC FET 在 3.6kW TPPFC 級中實現的效率

仿真工具使碳化硅場效應晶體管的選擇變得容易

使用UnitedSiC“FET-Jet”計算器可以輕松選擇最佳SiC FET器件以獲得最佳性能。這是一個免費使用的基于 Web 的工具，允許用戶從一系列整流器、逆變器或隔離和非隔離 DC/DC 拓撲中選擇他們提出的設計。然后輸入工作規格，并從 SiC FET 和二極管的 UnitedSiC 系列中選擇器件。該工具可立即計算效率、元件損耗及其導通和開關貢獻之間的分配、結溫上升等。支持并聯器件的效果，并可指定實際散熱片性能。

仿真結果和實際示例表明，SiC FET可以顯著提升功率轉換器的性能。我首先說成本也是一個因素，當考慮系統效應時，SiC FET在這里也得分，更高的效率和更快的開關減少了散熱器和磁性元件的尺寸和成本，從而降低了系統和擁有成本的總體平衡。

審核編輯：郭婷