罗姆SiC MOSFET和Si IGBT对比研究：探讨其在功率电子领域的差异与选择

发布时间：2019-03-12

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SiC 半导体封装

通常情况下，SiC 二极管和 MOSFET 可以采用各种标准封装方式（包括分立器件和模块）。分立器件可以分为两类：THT 器件（通过孔技术插装）和 SMD（表面贴装器件）。在进行封装设计时，了解和考虑 SiC 物理特性是必要的。例如，由于 SiC 器件具有更短的开关时间，封装内的寄生电感在 SiC 半导体中比在 Si IGBT 中更为重要。因此，Rohm 公司已经做了大量工作，以减少分立器件和模块内的寄生电感。

从 2010 年开始，Rohm 公司开始批量生产首批商用 SiC 产品。自那时起，该公司已将其产品线扩展到不同的电源类别，以满足工业和汽车应用的需求。ROHM 的产品包括分立器件（THT 和 SMD）以及模块。作为半导体制造商，ROHM 还提供 SiC 晶圆（裸片）产品，并与主要模块制造商合作，以扩大全球 SiC 市场。

Rohm 提供的第二代 SiC-SBD 目前涵盖了650V 5A 至 100A 的产品，并且还提供了高达1200V 和 1700V，最大电流可达50A 的版本。2016 年，ROHM 开始批量生产第三代 650V SiC-SBD，其最大电流为10A。

第二代 SiC-SBD 特点

第二代 SiC-SBD 具有以下特点：

反向恢复时间 trr 快（可高速开关）：SiC-SBD 具有较快的反向恢复时间，使其能够实现高速开关操作。

trr 特性没有温度依赖性：SiC-SBD 的反向恢复时间特性不会受到温度的影响，保持稳定的性能。

低 VF（第二代 SBD）：SiC-SBD 的正向压降（VF）较低，这意味着在导通状态下能够减少功耗和热量损失。

在 SiC MOSFET 领域，ROHM 提供了更广泛的产品组合，采用了两种不同的技术（平面和双沟槽）。平面技术已应用于分立器件和模块，并适用于650V、1200V 和 1700V 以及高达600A 的电流水平。

基于其专有的双沟槽技术，ROHM 开始批量生产第三代 SiC MOS 产品，包括分立器件和全 SiC 模块。这将扩展现有的 MOSFET 产品系列，并促进高效、高可靠性的电力电子技术的发展。

用于 SMPS 应用的新型 1700V SiC MOSFET

开关电源（SMPS）是所有电力电子系统中最重要的组件之一。它为主系统提供所需的适当电源，因为没有合适的电源，主系统的功能将无法实现。基本上，SMPS 子系统扮演了电力电子系统中所有电子子组件的内部电源角色，为微控制器、传感器和主功率半导体驱动器提供必要的电源电压。反激式转换器作为业界最受欢迎的 SMPS 拓扑结构，能够在直流输入和隔离的直流输出之间传输数百瓦的电能。在实际应用中，Si MOSFET 被用作主开关，开关频率通常在16kHz和500kHz之间。更高的开关频率可以使用更小的电感器，尽管 Si MOSFET 和二极管的高损耗是一个限制因素。罗姆推出的新型 1700V SiC MOSFET 具有高效的开关性能和低 Rdson，非常适用于这些应用。ROHM 提供了 TO-3PFM 和 TO268-2L 封装的 1700V SiC MOSFET。

由于其高电场强度，在高击穿电压下，SiC MOSFET 可以保持较低的导通电阻，每点点taptap安卓面积都能够发挥优势。图2显示了 ROHM 新开发的 1700V SiC MOSFET 与市场上最优秀的 Si MOSFET 之间的比较，后者通常用于反激式应用。与 1500V 的 Si MOSFET 相比，1700V 的 SiC MOSFET 具有显著降低的导通电阻（Rdson）。SiC MOSFET 的典型值为 0.75Ω/1.15Ω，而 Si MOSFET 的典型值为 9Ω，尽管 SiC MOSFET 的点点taptap安卓尺寸仅为 Si MOSFET 的 1/17。

采用 TO268-2L 封装的 1700V SiC MOSFET（SCT2H12NY）相较于具有相同封装的 Si MOSFET，在导通电阻和电流能力方面得到了显著改善。由于 SiC MOSFET 的电容值非常低（Ciss 和 Coss），因此可以在超过 100kHz 的开关频率下工作而不会产生任何热问题，从而实现电感元件的小型化和印刷电路板的空间节省。此外，通过采用 TO268-2L SMD 封装，可以实现使用 SMD 生产线进行自动化电路板组装，从而显著降低生产成本并最终降低总成本。为了实现 SiC MOSFET 在反激式拓扑中的最佳开关特性，Rohm 设计了一种特殊的驱动器（BD768xFJ-LB），它采用了 SOP-J8S 封装的专用控制器。

在三相 400VAC 工业应用中，通常使用串联连接的两个 Si MOSFET 作为飞后置转换器的主开关，以为主开关在关断状态下提供足够的电压裕量。由于 Rohm 推出的 1700V SiC MOSFET，这两个 Si MOSFET 可以被单个 SiC MOSFET 替代。

驱动应用的高效率

SiC 提供的优点对于需要驱动逆变器并在输出端需要正弦滤波器的工业应用非常有益。一个例子是电动机驱动逆变器，功率通常在几千瓦范围内。电动机和逆变器之间可能有长达100米的电缆连接。在这些应用中，通常需要使用正弦滤波器在逆变器的输出端进行滤波。

通过使用非屏蔽电缆来实现这种输出滤波器，可以大大降低总设备成本。此外，这些滤波器还会降低电动机绕组中的高频电流，进而减少电动机的功率损耗。因此，电动机的热性能将得到改善，并且噪音水平也会显著降低。总的来说，正弦滤波器对整个系统的寿命和可靠性都会产生积极影响。然而，在高功率设备中，正弦滤波器将占据应用中大部分的体积。因此，减小滤波器的尺寸和成本将是一个有趣的建议，这可以通过增加逆变器中半导体的开关频率来实现。

传统上，这些应用中使用 Si IGBT 技术，其开关频率约为10kHz。由于高功率损耗和热应力，IGBT 无法在高开关频率的应用中使用。

凭借其出色的物理性能，SiC 为这种复杂的应用打开了新的大门。特别地，SiC 能够在高开关频率下工作而不会引起逆变器中的过大热应力。

使用高开关频率有两个优点：输出滤波器可以更小，并且整个系统的谐振行为也会相应改善。

图5比较了标准逆变器拓扑结构中 Si IGBT 技术和 ROHM SiC 技术的开关损耗（见图3）。该比较基于600V的DC链路电压（Vdc），200A的电动机相电流（Imotor）和10kHz的开关频率（Fsw）。

图4中的数据将损耗归一化为 Si IGBT 和 Si FRD 的组合。在混合配置中，使用 Si IGBT 和 SiC SBD 作为反并联续流二极管，开关损耗将降低30%（蓝色条）。如果在该拓扑中使用来自 ROHM 的全 SiC 模块（包含 SiC MOSFET 和 SiC SBD），则开关损耗将显著降低（红色条）。

图5展示了基于 ROHM 新开发的沟槽技术的全 SiC 模块。这个模块具有1200V的击穿电压，支持180A的漏极电流。ROHM 在不断扩大其模块产品线，目前提供高达600A的模块。

SiC的反向传导

如前文第2部分所述，每个SiC MOSFET中都存在着寄生反向PN二极管（即体二极管）。在带有串联电感器的电力电子系统的换向回路中，当SiC MOSFET处于关断状态时，一些电流会通过该体二极管流动。与所有PN二极管一样，当电流通过二极管时，它会产生正向电压。由于SiC MOSFET具有宽禁带能隙等特性，导致体二极管处的电压降较高。在系统设计阶段，电力电子设计人员应该考虑在开关转换期间利用体二极管的频率。如果大部分电流通过体二极管流过，高电压降将导致高热损耗。此外，切换时间在热设计中也起着重要作用。

作为消除这种高电压降的可选方案之一，可以从SiC MOSFET的特定物理特性中获益，这就是反向导通效应（见图6）。反向传导的机制基于以下事实：即使MOSFET处于反向偏置状态，SiC MOSFET的沟道仍然可以再次导通。然后，反向电流将通过SiC MOSFET的沟道而不是体二极管。如图7所示，如果增加栅极电压，漏极和源极之间的电压降将减小。栅极电压Vgs = 18V将产生最佳效果。

那么在基于半桥配置的应用中如何使用和调整这种反向导通效应呢？

半桥配置是电力系统中非常常见的拓扑结构，包括逆变器和DC/DC转换器。它由两个开关或SiC MOSFET组成（高侧开关和低侧开关）。在半桥拓扑中，微控制器通过栅极驱动器提供互补驱动信号来控制MOSFET以确保系统的功能。必须在两个开关转换之间设置一个死区时间，以避免DC链路短路。在死区时间内，电流会通过体二极管流过。在死区时间之后，之前处于关断状态的MOSFET可以再次导通，即使它是反向偏置的。如图8所示，在死区时间内（蓝色***），电流会通过体二极管，然后MOSFET的通道再次导通，电流经过MOSFET的通道（红色***）。这种反向传导可以通过微控制器上运行的软件来实现。