摘要:传统硅基 MOSFET 技术日趋成熟,正在接近性能的理论极限。宽带隙半导体的电、热和机械特性更好,能够提高 MOSFET 的性能,是一项关注度很高的替代技术。

 

商用硅基功率 MOSFET 已有近 40 年的历史,自问世以来,MOSFET 和 IGBT 一直是开关电源的主要功率处理控制组件,被广泛用于电源、电机驱动等电路设计。

 

不过,这一成功也让 MOSFET 和 IGBT 体会到因成功反而受其害的含义。随着产品整体性能的改善,特别是导通电阻和开关损耗的大幅降低,这些半导体开关的应用范围越来越广。结果,市场对这些硅基 MOSFET 和 IGBT 的期望越来越高,对性能的要求越来越高。

 

尽管主要的半导体研发机构和厂商下大力气满足市场要求,进一步改进 MOSFET/ IGBT 产品,但在某些时候,收益递减法则占主导。几年来,尽管付出投入很大,但成效收获甚微。技术和产品最终发展到一个付出与收获不成正比的阶段,并不罕见,这是在为新的颠覆性方法和新产品问世奠定基础。

 

对于 MOSFET 器件,这个颠覆性技术创新周期是开发和掌握新基础材料的结果。与基于纯硅的 MOSFET 比较,基于碳化硅(SiC)的 MOSFET 的性能更胜一筹。 请注意,本文对比测试所用产品不是研发样品或演示原型,而是已经商用的基于 SiC 的 MOSFET。

 

作为一个重要的快速发展的应用领域,电动汽车和混动汽车(EV/HEV)的发展受益于 MOSFET 技术进步,反过来又推到了 MOSFET 的研发制造活动。不管消费者是如何想的,这些满载电池的汽车不只是一个大型电池组连接数个牵引电机那样简单(混动汽车还有一个小型汽油发动机给电池充电),而是需要大量电子模块来驱动系统运行,管理设备,执行特殊功能,如图 1 所示。

 

图 1:电动汽车和混合动汽车不只是一台大容量电池连接数台牵引电机,还有许多较小的电子子系统及电源,以及给大型电池组充放电和管理电池组的高功率子系统。

 

电动汽车和混合动汽车所用的功率开关转换系统包括:

 

  轮毂电机牵引逆变器(200 kW/ 最高 20 kHz);

 

  交流输入车载充电器(20 kW/50 kHz-200 kHz);

 

  选配快速充电功能(50 kW/50 kHz-200 kHz)

 

  辅助功能电源:中控台、电池管理控制、空调、信息娱乐系统、GPS、网络连接(4 kW/ 50 kHz-200 kHz 量级)

 

为什么要注重能效? 续航里程显然是消费者选购电动汽车和混合动汽车的重要考虑因素之一。逆变器的性能提高幅度即便很小,也能导致消费者能够看到的汽车基本性能指标明显提高。

 

但是,要求高能效的不止于这一个因素,还有多种其它因素:

 

  降低工作温度,提高可靠性;

 

  降低热负荷,减少通过散热器、散热片、冷却液和其它技术散发的热量;

 

  减少充电时间和基本用电量;

 

  由于工作温度较高的系统固有的要求和限制,整体封装需要具有更大的灵活性;

 

  更加轻松地符合法规要求。

 

SiC 应对挑战

幸运的是,SiC 提供了一条通向更高能效以及提高相关性能的途径。在结构和性能上,SiC MOSFET 与主流的纯硅 MOSFET 有何不同?简而言之,SiC MOSFET 是在 SiC n +衬底上加一个 SiC n 掺杂外延层(又称漂移层),如图 2 所示。关键参数导通电阻 RDS(ON)在很大程度上取决于源极 / 基极和漂移层之间的沟道电阻 RDrift。

 

图 2:不同于纯硅 MOSFET,SiC MOSFET 在 n +型 SiC 衬底上面制作一个碳化硅外延(漂移)层,源极和栅极置于 SiC 漂移层顶部。

 

当 RDrift 值给定,结温是 25⁰C 时,SiC 晶体管裸片实际面积是硅超结晶体管裸片面积的几分之一,如果使两个管子的芯片面积相同,那么 SiC 晶体管的性能要高出很多。另一个比较 SiC 和硅的方法是用大家熟悉的品质因数(FOM),即 RDS(ON) ×芯片面积(品质因数越低越好)。在 1200V 阻断电压下,意法半导体的 SiC MOSFET 的 FOM 值很小,约为市面上最好的高压硅 MOSFET(900V 超结管)的十分之一。

 

与牵引逆变器常用的硅基 IGBT 相比,SiC MOSFET 主要有以下优点:

 

  开关损耗更低,在中小功率时,导通损耗更低;

 

  没有 IGBT 那样的 PN 结电压降;

 

  SiC 器件具有坚固、快速的本征二极管,无需外部二极管;该本征二极管的恢复电荷极小,几乎可以忽略不计;

 

  工作温度更高(200⁰C),从而降低了冷却要求和散热要求,同时提高了可靠性;

 

  在能效相同的条件下,开关频率是 IGBT 的 4 倍,由于无源器件和外部元件少,重量、尺寸和成本更低。

 

驱动器

经验丰富的工程师知道,功率器件只是整个系统的众多重要组件之一。要想使设计变得可靠、高效,有成本效益,还需要给 MOSFET 选择适合的驱动器。适合的驱动器是根据目标 MOSFET 及其负载特有的电流变化率、电压值和时序限制而专门设计的驱动器。由于硅基 MOSFET 技术已经成熟,市面上有很多品牌的标准驱动器,保证驱动器 / MOSFET 组合正常工作。

 

因此,人们关心 SiC MOSFET 驱动的难易程度,更关心驱动器在市场上是否有售,这是很正常的事情。令人兴奋的是,驱动 SiC MOSFET 几乎与驱动硅基 MOSFET 一样容易,驱动一个 80mΩ器件,只需要 20V 栅 - 源电压、最大约 2A 的驱动电流。因此,在许多情况下都可以使用简单标准的栅极驱动器。意法半导体和其它厂商开发出了针对 SiC MOSFET 优化的栅极驱动器,例如 ST TD350。

 

在这款先进的栅极驱动器内,创新的有源米勒钳位功能大多数应用中节省了负电压栅极驱动,并允许使用简单的自举电源驱动高边驱动器;电平和延迟可调节的两级关断功能可以预防关断操作产生大量的过电压,以防万一发生过流或短路情况,两级关断功能中设置的延迟还可用于控制开关的开通操作,防止脉冲宽度失真。(为进一步简化 SiC MOSFET 的使用,意法半导体发布了题目为 “如何微调 SiC MOSFET 栅极驱动器,最大限度降低损耗”的应用笔记,全面详细介绍了驱动器的要求和最佳性能解决方案。)

 

不只是推断,还是事实 

制造工艺的进步有时并不能保证新技术一定会产业化和大规模应用,而 SiC MOSFET 却是一个例外。目前,SiC MOSFET 已经大批量生产,并被混动汽车和电动汽车采用,在能效、性能和工作条件方面取得切实的成效,并传导到电路级和系统级。

 

我们用混动汽车和电动汽车的 80kW 牵引电机逆变器电源模块做了一个 SIC MOSFET 与硅 IGBT 的对比测试,结果显示,在许多关键参数方面,650V SIC MOSFET 远胜硅 IGBT。这个三相逆变器模块采用双极性 PWM 控制拓扑,具有同步整流模式。两种器件都是按照结温小于绝对最大额定结温 80%确定器件尺寸。硅 IGBT 方案使用 4 个并联的 650V/200A IGBT 和额定值相同的相关续流硅二极管;基于 SIC MOSFET 的方案设计采用 7 个并联的 650V/100A SiC MOSFET,未使用任何外部二极管(只用本征二极管);额定峰值功率 480Arms(10 秒),正常负载 230Arms。其它工作条件是:

 

  直流电路电压:400Vdc

 

  开关频率:16kHz

 

  SiC Vgs 电压 +20V/-5V,IGBT Vge 电压 ±15V 

 

  冷却液温度:85℃

 

  RthJ-C(IGBT-die)=0.4℃/W; RthJ-C(SiC-die)=1.25℃/W

 

  在任何条件下,Tj ≤ 80% ×Tjmax℃ 

 

下表列出了在额定峰值功率下的典型功率损耗:

 


注意到,SiC MOSFET 与硅基 IGBT 对比,几乎所有功率损耗参数都有明显改善。当并联 MOSFET 时,所产生的 RDS(ON) 导通电阻除以 MOSFET 的个数,致使导通损耗接近零,因此,SiC MOSFET 的导通损耗低于 IGBT。相反,当并联 IGBT 时,所产生的 VCE(SAT) 电压不会线性下降,并且最小导通电压降是限制在大约 0.8 至 1 V 范围内。

 

不难看出,在整个负载范围内,基于 SiC 的 MOSFET 解决方案的功率损耗低很多。由于导通电压降较低,这些 MOSFET 在 100%负载时的导通损耗也从 125 W 降低到 55 W,如图 3a 和 3b 所示。

 

 

图 3:a)在整个负载范围内,基于 SiC 的设计(红线)的功耗比硅基 IGBT(蓝线)低很多(左图)。 b)SiC 系统(红线)的能效明显高于纯硅方案(蓝线),在较低的负载比时尤为显著。

 

在低负载时,SiC 器件的能效比硅 IGBT 高达 3%;在整个负载范围内,总能效高至少 1%。尽管 1%看起来似乎不高,但对于这个功率等级,1%代表了很高的功耗、耗散功率和散热量。工程师知道,高温是持久性能和可靠性的大敌。此外,高能效还能延长电动汽车续航里程,这是汽车制造商和消费者比较看重的价值主张。在 16 kHz 开关频率下,比较 SiC 与 IGBT 的结温,从低负载到满负载,显然 SiC 是赢家,两者的冷却液温度均为 85⁰C,如图 4 所示。数据表明,因为损耗高,IGBT 冷却系统的效率必须更高。

 

图 4:结温决定开关频率高低、可靠性以及其它性能;在可靠性方面,SiC 解决方案(红线)优于硅解决方案(蓝线),直到 100%负载仍然保持较低的Δ(Tj-Tfluid)温差。

 

SiC 器件结温几乎在整个开关频率范围内都处于较低的水平,如图 5 所示,甚至开关频率低至 8 kHz 时,温度也比 IGBT 低,硅基 IGBT 在 46 kHz 时已超出额定结温范围。

 

图 5:在整个开关频率范围内,结温低也是 SiC 器件的主要优势;这两个方案在 8 kHz 时结温大致相同,但之后 SiC(红线)逐渐优于 Si(蓝线),后者随着开关频率的提高而大幅增加。

 

在峰值功率脉冲条件下,SiC MOSFET 导通损耗高于 IGBT,为使结温保持在最高结温以下(通常为 200⁰C 的 Tjmax 的 80%),我们限定 SiC MOSFET 的尺寸,这时 SiC MOSFET 具有以下优势:

 

  芯片面积小,适合更紧凑的方案;

 

  中低负载功率损耗低很多;

 

  电池续航时间更长,延长汽车续航里程;

 

  满载时损耗更低,适用于更小的冷却方案;

 

  在整个负载范围内,结温 Tj 和冷却液温度 Tfluid 的温差小,可提高可靠性。

 

这些特性和优点为用户带来了切实的好处,例如,能效提高至少 1%(损耗降低 75%);逆变器侧冷却系统更小、更轻(减少约 80%);电源模块更小、更轻(减少 50%)。

 

成本考量

当讨论技术进步及其带来的好处时,不考虑成本因素的讨论都是片面的。目前,SiC MOSFET 的成本是硅 IGBT 的 4-5 倍,不过,SiC MOSFET 在物料清单、冷却系统和能耗方面的节省,降低了系统总成本,通常可以抵消掉这些基础组件的成本差距。在未来 2-5 年,随着行业转向大直径晶圆,意法半导体已经开始转型,这一价差应该会降至 3 倍甚至 2.5 倍,品质因数 RDSON × 面积也将得到改善,产量将会提高。从长远看,未来 5-10 年,随着这些参数改进,成本将会继续降低。

 

SiC 功率开关带来了改进性能的希望,同时也将这些希望变成了现实,在应用和安装中几乎不存在设计折衷问题。随着汽车厂商加紧研发混动汽车、电动汽车和许多相关电源模块,以及其它以大功率电机为中心的应用,SiC 功率开关可以在成功设计中发挥重要作用,即使改进步伐很小,也会为系统级带来巨大的进步。