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在電源轉換這一語境下，性能主要歸結為兩個互為相關的值：效率和成本。仿真結果和應用實例表明，SiC FET 可以顯著提升電源轉換器的性能。了解更多。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業務擴展到電動汽車 (EV)、工業電源、電路保護、可再生能源和數據中心電源等快速增長的市場。

“性能” 是一個很主觀的詞，它可以有各種不同的衡量方式。不過，在電源轉換這一語境下，性能主要歸結為兩個互為相關的值：效率和成本。眾所周知，硅作為一種半導體開關材料，在傳導和動態損耗方面都已接近其性能極限。于是，性能更佳的碳化硅和氮化鎵寬帶隙技術越來越多地進入了人們的考量范圍。這些材料具有更好的介質擊穿特性，可以打造更薄、摻雜更重、導通電阻更低的阻擋層，同時，更小的晶粒尺寸還可以降低器件電容和動態損耗。雖然與硅相比損耗較低，但實際上，寬帶隙器件也有某些方面較差，如 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 晶體管通常需要嚴格控制柵極驅動條件才能實現更優性能。這些器件與硅開關相比還有許多令人頭疼的差異，如 SiC MOSFET 柵極閾值的可變性和遲滯，以及 GaN 缺少雪崩額定值。

SiC FET

接近理想開關

實際開關接近理想開關，卻不一定有巨大的飛躍。如果簡單的垂直溝槽 SiC JFET 與硅 MOSFET 相結合，可以獲得更低的標準化整體損耗、一個簡單的非臨界柵極驅動和一個有高雪崩和短路額定值的可靠部件。該器件是 SiC FET 共源共柵，如圖 1（右）所示，與左側的 SiC MOSFET 形成對比。SiC MOSFET 中的溝道電阻 Rchannel 被 SiC FET 中低壓硅 MOSFET 的電阻所取代，后者的反轉層電子遷移率要好得多，因此損耗也更低。SiC FET 的晶粒面積相對較小，尤其是頂部堆疊共封裝 Si MOSFET 的情況下。

圖 1：SiC MOSFET（左）和 SiC FET（右）架構對比

在現實生活中，對比性能最好通過 “品質因數” (FoM) 進行，結合考慮特定晶粒尺寸在不同應用中的導電和開關損耗，晶粒尺寸對于每個晶圓的產量和相關成本很重要。圖 2 顯示了對比可用的 650V SiC MOSFET 與 UnitedSiC 的 750V 第 4 代 SiC FET 之后做出的選擇。RDS(ON) xA，即單位面積的導通電阻，是一個關鍵 FoM，數值低則表明晶粒面積較小，特定損耗性能下每個晶圓的產量較高。另一個 FoM 是 RDS(ON)xEOSS，即導通電阻與輸出開關能量的乘積，表征了導電和開關損耗之間的權衡，這在硬開關應用中很重要。FoM RDS(ON)xCOSS (tr) 將導通電阻與跟時間有關的輸出電容相關聯，表示在高頻軟開關電路中的相對效率性能。還有一個重要比較是整體二極管的前向壓降。在 SiC FET 中，VF 是 Si MOSFET 體二極管壓降與第三象限 JFET 電阻壓降之和，約為 1 到 1.5V。對于 SiC MOSFET，該參數值可能超過 4V，在電流通過整體二極管換向的應用中，會導致開關死區時間內有顯著導電損耗。圖中所示的導通電阻相關 FoM 是 25°C 和 125°C 下的值，表明在現實生活條件下，SiC FET 的性能非常出色。

圖 2：SiC FET 和 SiC MOSFET 的 FoM 比較

3.6kW SiC FET 圖騰柱 PFC 級

演示工具的峰值效率為 99.3%

也許最能證明 SiC FET 性能的情況是在典型應用，即圖騰柱 PFC 級中。長期以來，該電路被認為是交流線路整流與功率因數校正結合后的潛在高效解決方案，但是大功率和硅 MOSFET 技術下的硬開關會產生不可接受的動態損耗。SiC FET 解決了這個問題，而且 UnitedSiC 提供的 3.6kW 演示工具表明在 230V 交流電下會達到 99.3% 的峰值效率，這使得 80+ 鈦金系統額定效率更容易實現（圖 3）。電路“快速支路”的兩個 18 毫歐 SiC FET 功耗只有 8W，而硅 MOSFET 用作“慢支路”中的同步交流線路整流器。它們可以被硅二極管取代，讓解決方案的成本更低，同時仍實現99% 以上的效率。該圖還顯示了使用并聯的 60 毫歐 SiC FET 實現的結果，或每個快速支路開關使用一個 18 毫歐 SiC FET 實現的結果。

圖 3：使用 SiC FET 在 3.6kW TPPFC 級實現的效率

仿真工具

讓 SiC FET 選擇變得簡單

使用 UnitedSiC 的 “FET-Jet” 計算器，可以輕松選擇合適的 SiC FET 部件以實現出色性能。它是免費使用的 Web 工具，用戶可以從各種整流器、逆變器和隔離和非隔離 DC/DC 拓撲中選擇其擬定設計。然后輸入工作規格，并從 UnitedSiC 的一系列 SiC FET 和二極管中選擇器件。該工具可以立即計算效率、組件損耗以及導電和開關損耗占比、結溫上升等。支持并聯器件效應，還可以指定實際散熱器性能。

仿真結果和應用實例表明，SiC FET 可以顯著提升電源轉換器的性能。我一開始就說過，成本也是一個因素，當考慮系統效應時，SiC FET 也能勝出，其較高的效率和較快的開關速度可以削減散熱和磁性組件的尺寸與成本，從而降低系統的整體平衡和擁有成本。