碳化硅如何能够提升开关电源设计

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。