SiC MOSFET在电源转换器设计中的优化方案
作者：英飞凌科技资深高级工程师rené mente
谈起电源转换器的设计，诸如碳化硅（sic）等宽禁带（wbg）技术是当今进行器件选择时的现实考虑。650v sic mosfet的推出使它们对于某些以前从没有考虑过的应用更具吸引力，这些器件在高效硬开关拓扑结构中表现出非常好的耐用性，因而是实现千瓦级电源解决方案功率因数校正（pfc）应用的理想选择。而且，由于它们还支持更高的开关频率，因此可以选择较小的磁性元件，从而缩小了许多设计的体积。
没有免费午餐
尽管宽禁带器件有很多好处，但仅仅通过用sic mosfet替换硅基器件留下的空间并不能实现这些优势。工程师需要花一些时间来了解宽禁带器件的特性，以充分利用新器件带来的全部益处，同时还要了解他们各自的局限性和失效模式。coolsic器件中体二极管的正向电压比硅mosfet高四倍，因此llc转换器在轻负载下效率可能下降0.5％。通过利用沟道进行升压，而不是通过体二极管，还可以实现pfc拓扑架构的高效率。
工作温度范围内导通电阻与硅相当
一个关键的比较参数是导通电阻rds（on）。硅mosfet表面的参数看起来比sic更好，但由于其较低的倍增系数（κ），在100℃时，一个84mω的coolsic器件与57mω的coolmos器件具有相同的rds（on）（见图1）。与硅mosfet相比，coolsic还具有更高的击穿电压v（br）dss，使其在需要低温环境下启动的应用中非常有益。
图1：coolsic器件温度对rds（on）的影响比coolmos小，因此在典型工作温度范围内导通电阻变化不大。
eicedriver系列仍然是coolsic mosfet的理想协同器件。但是，为了获得数据表中定义的较低rds（on），需要18v的栅极电压（vgs），而不是硅mosfet的典型12v。如果选择新的栅极驱动器，则需要选择一个具有13v欠压锁定功能的驱动器，以确保目标应用在异常条件下安全运行。sic的另一个好处是，在25～150℃之间温度对传输特性的影响有限（见图2）。
图2：在25℃（左）和150℃（右）时的传输特性表明，sic器件受到的影响比硅mosfet低很多。
避免栅极负电压
栅极负电压会导致sic mosfet长期退化，从而导致潜在故障。因此，设计工程师应绝对保证vgs不会在低于-2v以下运行超过15ns。如果发生这种情况，栅极阈值电压（vgs（th））的漂移可能会导致在整个应用寿命期间rds（on）增大，最终这会导致来之不易的系统效率下降，在许多情况下正是由于高效率才会选择sic。
对于硅mosfet，通常需要使用一个高值电阻以避免出现负vgs，从而减慢di/dt和dv/dt。但是，对于sic器件，首选方法则是在栅极和源极之间插入一个二极管电压钳位。如果负电压纯粹是一个电感问题，则强烈建议选择带有开尔文源（kelvin source）的coolsic器件，这可能导致eon损耗比没有它的器件低三倍（见图3）。
图3：为避免sic mosfet的栅极电压为负，应考虑采用二极管钳位、独立的公共端和开尔文源。
实现高于99％的效率
coolsic mosfet的另一个优点是，在漏-源极电压vds高于50v时，它们具有更高的输出电容coss，这样可以降低过冲水平，而无需采用栅极电阻。sic技术的qoss特性还有利于采用硬开关和谐振开关拓扑架构，原因是所需的放电更少，这会影响连续导通模式（ccm）图腾柱pfc中的eon损耗。采用48mω器件，对于3.3kw ccm图腾柱pfc而言，效率可以达到99％以上（见图4），在双升压（dual boost）pfc设计中使用coolmos可能获得的最高效率峰值为98.85％。而且，尽管sic mosfet的成本较高，但基于sic的设计总体上更具成本竞争力。
图4：即便107mω的coolsic ccm图腾柱pfc其效率也接近99％，大多都超过了最佳coolmos双升压pfc方式。
结论
sic mosfet与同等硅器件相比具有一系列优势，再加上其在硬开关应用中的耐用性，使其在大多数高效功率转换应用中值得考虑。650v coolsic系列的推出使sic mosfet技术对于那些需要将功率转换效率推向极限的应用更加经济可行。
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图1：coolsic器件温度对rds（on）的影响比coolmos小，因此在典型工作温度范围内导通电阻变化不大。
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图2：在25℃（左）和150℃（右）时的传输特性表明，sic器件受到的影响比硅mosfet低很多。
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图3：为避免sic mosfet的栅极电压为负，应考虑采用二极管钳位、独立的公共端和开尔文源。
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图4：即便107mω的coolsic ccm图腾柱pfc其效率也接近99％，大多都超过了最佳coolmos双升压pfc方式。
结论
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