為什么考慮碳化硅場效應晶體管

以“母性和蘋果派”的陳述開始博客總是很誘人的，比如更好的功率轉(zhuǎn)換效率的好處列表。更高顯然是一個優(yōu)勢，但有時凈收益被錯誤地陳述了——家用電子產(chǎn)品的一點熱量會使你的中央供暖在寒冷的氣候下工作得不那么辛苦，也許在能源使用和成本方面有整體好處，鍋爐效率相對較低。白熾燈也是如此——當你需要溫暖時，它們是非常高效的加熱器。

不過，其他用戶確實看到了一個主要的好處 - 在溫暖的地方，產(chǎn)生的熱量使空調(diào)工作更加困難，成本成倍增加，在工業(yè)中，例如服務器場現(xiàn)在超過全球能源需求的1%，效率提高的每一個百分點都意味著節(jié)省大量成本并減少對環(huán)境的影響。有時，效率提升會達到一個“臨界點”，收益開始成倍增加，例如電動汽車，其中改進意味著更小、更輕的功率轉(zhuǎn)換器，從而減少能源需求和延長續(xù)航里程。

因此，工程師們不懈地追求效率提升的小數(shù)點，經(jīng)常判斷使用新的不熟悉拓撲進行設計的風險，并承諾進行部分改進，是否會在某個任意時間尺度上產(chǎn)生較低的總擁有成本。當你相信效率的提高時，甚至有改進變得更加困難，在測量功率輸入和輸出時，一個可信的±0.1%的誤差可能意味著計算出的損耗可能比實際值多或少40%，而效率已經(jīng)達到99.5%左右。當電源輸入是具有失真且功率因數(shù)不太完美的交流電，并且直流電源輸出具有殘余噪聲成分以混淆DVM時，情況會變得更糟。現(xiàn)在通常采用量熱方法來實際測量熱量輸出，而不是從電測量中推斷。

圖1.即使測試設備精度±0.1%，在高效率水平下也能提供廣泛的效率測量精度變化

提高功率轉(zhuǎn)換器效率的一個相對低風險的選擇是改進已經(jīng)設計的半導體。基于MOSFET的轉(zhuǎn)換器可以升級為使用具有較低導通電阻和可能更低開關能量要求的較新器件，并適當考慮EMI輻射的變化。然而，為了充分利用最新的寬帶隙器件，如SiC MOSFET或GaN HEMT電池，需要對電路進行更廣泛的更改，尤其是柵極驅(qū)動。如果現(xiàn)有電路是基于IGBT的，那么您正在考慮從頭開始重新設計以使用寬帶隙器件。

柵極驅(qū)動問題與電壓電平有關——為了全面增強，SiC MOSFET 需要一個明顯高于 Si-MOSFET 的導通狀態(tài)驅(qū)動，并且非常接近器件的絕對最大額定值，必須仔細限制。導通和關斷狀態(tài)之間的高電壓擺幅也需要一些驅(qū)動功率，因為柵極電容在每個周期進行充電和放電。此外，閾值電壓是可變的，并且具有遲滯，使得最佳驅(qū)動變得困難。GaN HEMT電池在某種程度上正好相反，柵極閾值電壓和絕對最大值非常低，并且必須再次仔細控制驅(qū)動電路以避免過應力和故障。

如果功率轉(zhuǎn)換器電路需要反向或第三象限導通，則SiC MOSFET中體二極管的特性非常重要，并且由于其顯著的恢復能量和正向壓降，可能導致過度損耗。GaN器件沒有體二極管，通過通道反向?qū)ǎ谕ǖ劳ㄟ^柵極驅(qū)動主動增強之前，死區(qū)時間有高壓降。如果柵極在關斷狀態(tài)下被驅(qū)動為負，則“換向”期間的下降甚至更高。

獲得最佳性能的一種方法是考慮SiC FETS，即Si-MOSFET和SiC JFET的級聯(lián)組合。這些器件具有Si-MOSFET的簡單、非關鍵柵極驅(qū)動，但性能品質(zhì)因數(shù)更好 RDS（開啟）x 阿和·DS（開啟）x E開放源碼軟件比碳化硅MOSFET和GaN HEMT電池。具有強大的固有雪崩能力和自限流短路電流，體二極管效應類似于低壓Si-MOSFET，具有低正向壓降和快速恢復。這一切都意味著SiC FET通常可以簡單地插入Si-MOSFET甚至IGBT插槽，以立即提高效率。與其他技術一樣，僅僅通過調(diào)整柵極驅(qū)動電阻無法控制SiC FET的速度來限制EMI和應力，但使用這些超快器件，過沖和振鈴受到小型RC緩沖器的有效限制，這也簡化了器件的并行操作。更換IGBT時，可以提高開關頻率，而不會產(chǎn)生不必要的動態(tài)損耗，從而獲得更小、更輕、更低成本的磁性元件的優(yōu)勢。

SiC FET是一種從所有常見轉(zhuǎn)換拓撲中獲得更高效率的安全方法，并帶來所有隨之而來的好處。他們說，如果你受不了熱，那么，好吧，停止烤蘋果派（不是一種選擇），但你可以在轉(zhuǎn)換器設計中改用SiC FET。

審核編輯：郭婷