为什么EliteSiC M3S技术是高速开关应用的更优选择？

本文来源：安森美

本文作者：Fatih Cetindag，安森美汽车电源部应用工程师碳化硅 (SiC) 具有比硅 (Si) 更高的介电击穿场强、能带隙和热导率，电力电子设计人员可以利用这些特性来开发比硅基IGBT器件效率更高、功率密度更大的电源转换器。针对这些应用，为了最大限度地减少高频下的导通和开关损耗，需要使用低RDS(on)和低Qrr（体二极管反向恢复电荷）的器件。
本文将介绍三相功率因数校正 (PFC) 转换器的器件特性测试和仿真结果，转换器使用两款TO247-4L封装的不同SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管) 实现。被测器件之一来自安森美 (onsemi) 新推出的EliteSiC M3S系列，其针对低开关损耗进行了优化，另一款被测器件来自竞争对手，其基本参数如表1所示。本文还讨论了器件参数如何影响相对性能。

了解MOSFET用作开关时的功率损耗开关器件中的功率损耗可分为导通损耗和开关损耗。由于电流或电压不可能瞬时改变电平，因此存在上升和下降时间，开关损耗也就随之产生。对于功率 MOSFET 的电压和电流，上升和下降时间取决于器件寄生电容的充放电速度。此外，体二极管的反向恢复电荷也会造成开关损耗。另一方面，当器件“开启”传导电流时，器件会有导通损耗。器件的动态参数决定开关损耗，而导通损耗则与静态参数有关。通过研究这些参数，设计人员可以深入了解器件性能与功率损耗大小的关系。影响开关损耗的主要参数是器件电容（Coss、Ciss和Crss）和体二极管反向恢复电荷 (Qrr)。相比之下，造成导通损耗的主要因素是RDS(on)和VSD（体二极管压降）。动态特性测试首先，在不同条件下使用双脉冲测试装置进行动态特性测试，以比较每个MOSFET的关键参数，如图1所示。然后进行三相PFC仿真，以比较每个MOSFET的整体系统效率。

图 1：双脉冲测试电路简化示意图
表1：两款被测器件的资料手册信息
静态参数比较

RDS(on)和VSD（体二极管压降）是最重要的静态参数，我们在多种测试条件下进行了测试。安森美NVH4L022N120M3S与竞争对手A的备选SiC MOSFET进行了对比测试。表2中总结的结果表明，在所有测量的温度和电流下，安森美NVH4L022N120M3S性能更优越，其VSD均更低。根据这些结果可知，其导通损耗更低。
表2：不同测试条件下VSD的比较

RDS(on) 是另一个可用于预测器件导通损耗的关键参数。因此，在25°C和175°C结温下对两个器件的RDS(on)参数进行了测定。RDS(on)的测量在15V和18V两种栅源电压下进行，使用300μs的导通脉冲宽度。测试结果表明，竞争产品A在每种测试条件下的RDS(on)都略低，这说明在给定结温下，其导通损耗低于M3S。
图2：两个MOSFET在25°C

（左）和175°C（右）下的RDS(on)比较动态参数SiC MOSFET中不存在少数载流子，因此尾电流不会像在Si IGBT中那样影响性能，结果是关断损耗显著降低。此外，SiC器件具有比Si MOSFET更低的反向恢复电荷，因此峰值导通电流更小，导通损耗更低。输入电容(Ciss)、输出电容 (Coss)、反向传输电容 (Crss) 和反向恢复电荷 (Qrr) 是造成开关损耗的主要参数，值越小通常损耗越低。在开关应用中，开关瞬态间隔期间的漏源电压显著高于 6V，因此高电压区域是这些开关曲线的关键部分。当VDS≥6V时，NVH4L022N120M3S的Ciss、Coss和Crss值更低（图3），这意味着其导通损耗和关断损耗低于竞争产品A。

图3：输入Ciss、输出Coss和反向传输Crss电容的比较

在25°C和175°C时，通过双脉冲测试在多种负载电流条件下测量了两款器件的开关损耗，如图4和图5所示。测试条件如下：

• Vin=800V
• RG=4.7Ω
• VGS_on=+18V
• VGS_off=−3V
• ID=5−100A
  

平均而言，与竞争产品A相比，对于10A至100A的负载电流，M3S的开关损耗在25°C时要低5%，在175°C时要低9%。主要原因是得益于安森美的M3S工艺技术，其EON损耗更低。

图4.25°C 时的开关损耗比较
图5.175°C时的开关损耗

如前所述，MOSFET的反向恢复行为也会影响开关损耗。该参数的测试条件为：ID=40A，di/dt=3A/ns（调整RG值以获得相同di/dt），温度为25°C。测试结果表明，M3S的反向恢复时间更短，反向恢复电荷更低，反向恢复能量更低，因此其反向恢复性能优于竞争产品A。

图6：M3S（左）和竞争产品 A（右）的反向恢复损耗比较

常用汽车拓扑中的 MOSFET 性能仿真

升压型PFC和具有两个电感 (LL)、一个电容 (C) 的LLC，是汽车车载充电器和高压DC/DC转换器中常用的电路拓扑。升压型三相PFC拓扑包括六个开关器件，而全桥LLC拓扑有四个开关器件，次级侧还有同步整流器。
图7：升压型三相PFC（左）和全桥LLC（右）

评估完导通损耗和开关损耗之后，接下来对三相升压型PFC电路进行仿真（利用PSIM），使用以下测试条件分别比较采用每种类型MOSFET的系统效率：

• VaLL=VbLL=VcLL=400V
• fline=50Hz
• RG=4.7Ω
• VOUT=800V
• fSW=100kHz
• POUT=11kW（最大值）

仿真结果表明，对于相同的系统设计，采用NVH4L022N120M3S的三相升压PFC系统在所有工作点上都表现出比竞争产品A更高的效率。
图8：仿真估算：不同功率水平下的效率比较M3S 是开关应用的更优选择

在电力电子应用中，SiC 器件相比传统硅基器件具有多项优势，包括更高的效率、更低的开关损耗和导通损耗，以及能够在更高频率下工作，从而支持更高功率密度的设计。与类似的竞争器件相比，安森美的 M3S 技术提供更胜一筹的开关性能和品质因数，包括ETOT、Qrr、VSD和整体系统效率。M3S技术专为满足电动汽车高频开关应用（如车载充电器和高压DC/DC转换器）的要求而打造。M3S MOSFET旨在实现导通损耗和开关损耗之间的平衡，从而适用于PFC和其他硬开关应用。