高压功率器件设计挑战如何破？

不断提升能效的需求影响着汽车和可再生能源等多个领域的电子应用设计。对于电动汽车 (EV) 而言，更高效率意味着更远的续航里程；而在可再生能源领域，发电效率更高代表着能够更充分地将太阳能或风能转换为电能。

图1.在电动汽车和可再生能源领域，对更高效率的不懈追求正推动着设计向前发展

这两大领域都广泛采用开关电子器件，因而又催生了更高电压器件的需求。电压和效率之间的关系遵循欧姆定律，也就是说电路中产生的功耗或损耗与电流的平方成正比。同理，当电压加倍时，电路中的电流会减半，因而损耗会降到四分之一。根据这个原理，为了减少传输损耗，电力公司通常使用超高电压来输送电力，比如英国的电网电压常为275,000伏或400,000伏。

电力公司依赖重型变压器等设备来处理高传输电压，而汽车和可再生能源领域的情况要更复杂一些，因为相关应用中通常涉及大量电子设备。

半导体设计面临高电压挑战

基于开关电力电子器件的转换器和逆变器是可再生能源发电厂和电动汽车的关键组件。虽然MOSFET和IGBT都可以用在相关系统中，但前者的栅极驱动功率较低、开关速度更佳且在低电压下效率更高，所以MOSFET占据了市场主导地位，并广泛用于各类电力电子应用。

功率MOSFET主要有三个作用，即阻断、开关和导通（如图2所示），因此该器件必须满足每个阶段的要求。

图2.在开关阶段，MOSFET需要能够切断漏极和源极之间的大电压；

在阻断阶段，MOSFET要能完全承受应用的额定电压；而在导通和开关阶段，又必须满足对电路损耗和开关频率的要求。导通损耗和开关损耗都会影响整体效率，更高的开关频率有利于搭建更小更轻的系统，而尺寸和重量恰好是电动汽车和工业应用的关键属性。

追求更高电压的趋势正在挑战传统硅MOSFET的极限，并且实现低导通损耗和快速开关时间所需的低RDS(on)和高栅极电荷值也越来越困难，同时成本也在不断攀升。因此，电力电子设计人员转而借助碳化硅(SiC)来实现更高的效率。SiC是一种宽禁带材料，与硅相比具有多项优势，包括热导率高、热膨胀系数低和最大电流密度更高等，因此在导电性能方面表现更加优异。此外，SiC的临界击穿场强更高，也就是说较薄的器件就能够满足额定电压的需求，从而能够大幅缩小器件尺寸。

目前SiC MOSFET能够承受近10kV的超高电压阈值，而硅MOSFET能够承受的电压阈值仅为1.5kV。此外，SiC器件的开关损耗较低、工作频率较高，因此能够实现更优异的效率，尤其适合用于工作温度较高、热导率要求高的大电流、高功率应用。

安森美 (onsemi) 能够满足对更高电压的需求

为了满足对高击穿电压器件日益增长的市场需求，安森美构建了内部端到端SiC制造能力，能够制造SiC二极管、SiC MOSFET和SiC模块等一系列产品。

相关产品系列包括NTBG028N170M1，这是一款击穿电压较高的SiC MOSFET，如图3所示。这款N沟道平面器件针对高电压下的快速开关应用进行了优化，VDSS为1700V，扩展VGS为-15/+25V。

图3.安森美的NTBG028N170M1

NTBG028N170M1支持高达71A的连续漏极电流(ID)和高达195A的脉冲漏极电流，且其 RDS(ON) 典型值仅为28mΩ，有助于减少导通损耗。另外，该器件的栅极电荷 (QG(tot)) 非常低，仅为222nC，可确保进一步降低高频工作期间的损耗，此外器件采用D2PAK–7L表面贴装，可以减小工作期间的寄生效应。

安森美EliteSiC系列还包括一系列额定电压为1700V的SiC肖特基二极管，这些二极管可在整流器等电力电子系统中与MOSFET搭配使用。这些二极管具有较高的最大反向重复峰值电压 (VRRM)、较低的正向峰值电压 (VFM) 和出色的反向漏电流，使设计工程师能够在高温环境下实现稳定的高电压运行。

EliteSiC助力打造高效的电力电子设计

在依赖电力电子设备的应用中，对更高效率的探索从未停歇。随着系统电压的不断提高，传统的Si-MOSFET无法适应未来需求。SiC器件为相关设计人员指明了新方向，使其能够在提高效率的同时，缩小器件尺寸，满足更严格的应用要求。安森美的1700V NTBG028N170M1能够帮助工程师在关键电力电子系统中实现更高电压的设计。