使用 SiC 架構 MOSFET 提高電源轉換效率

在功率需求提高、法規要求以及效率和 EMI 方面的標準日趨嚴格下，電源供應器越來越需要使用電源切換元件，因為這種元件具有更高的效率與更寬廣的工作範圍。同時，設計人員也一直面臨降低成本和節省空間的壓力。面對這些需求，需要有新的方案代替傳統的矽 (Si) 架構 MOSFET。

碳化矽 (SiC) 已經成熟且發展到第三代，顯然是合適的替代方案之一。SiC 架構 FET 具有許多效能優勢，特別是在效率方面，且具有更高可靠性、更少的熱管理問題，以及更小的覆蓋區。雖然可能需要進行一些調整，但這些元件適用於整個電源領域，而且在設計技術上無需大幅變革。

本文會簡單比較 Si 與 SiC，並介紹 Wolfspeed 的 SiC 元件範例，然後說明如何使用這些元件進行設計。

SiC 與 Si MOSFET 的比較

首先，瞭解技術和術語很重要，SiC 架構 FET 和以往的 Si MOSFET 一樣，都是 MOSFET。廣義來說，兩者內部的實體結構類似，而且都是具有源極、汲極和閘極連接的三端子元件。

兩者的差異正如名稱所示，SiC 架構 FET 採用碳化矽作為基材，而非單純只用矽材。這在業界中廣稱為 SiC 元件，而省略 MOSFET 部分。本文將其稱為 SiC FET。

為何要使用 SiC 化合物作為材料？基於許多深層物理原因，SiC 有三個主要的電氣特性和矽材大相逕庭，且每個特性都能帶來運作上的優勢；另外，還有其他一些較微妙的差異 (圖 1)。

圖 1：SiC 與 Si 和 GaN 固態材料的關鍵材料特性概略比較。相較於矽，SiC 擁有更高的臨界崩潰、更高的熱導率，以及更寬的能隙。(圖片來源：Researchgate)

這些特性包括：

• 更高的臨界崩潰電場電壓 (大約為 2.8 MV/cm，矽為 0.3 MV/cm)，因此能以很薄的層，在指定電壓額定值下運作，大幅降低導通電阻。
• 更高的導熱率，能在截面積上達到更高的電流密度。
• 更寬的能隙，能讓高溫時的漏電流變得更低 (能隙是指半導體與絕緣體中，價帶頂端與導帶底部之間的能量差異，以 eV 為單位)。因此，SiC 二極體和 FET 常被稱為寬能隙 (WBG) 元件。

有鑒於此，SiC 架構元件能阻斷的電壓大約比矽元件高出十倍，並能在 25°C 時，以大約快十倍的速度進行切換，而導通電阻只有一半或是更少。同時，由於能在更高的溫度下工作 (SiC 為 200°C，矽為 125°C)，SiC 架構元件的散熱設計和熱管理變得更為容易。

閘極驅動器是發揮優勢的關鍵要角

電源裝置少了閘極驅動器就無法工作，後者不僅能將低位準的數位控制訊號，轉換為所需的電流和電壓訊號以及電源裝置所需的時序，同時還能針對大多數類型的外部故障提供一定的防護。對 SiC FET 來說，驅動器必須包含額外的功能，才能提供以下能力：

• 將傳導和切換損耗以及閘極損耗降到最低。這些損耗包括非導通和導通能量、米勒效應以及閘極驅動電流需求。非導通能量取決於截止狀態下的閘極電阻以及閘極至源極電壓。為了減少上述損耗，必須從閘極消耗更多電流。其中一個方法是讓驅動器在非導通期間，對閘極電壓施加負偏壓。同樣地，減少閘極電阻即可減少導通能量。
• 將米勒效應及其負面影響降到最低，以免在某些情況和應用配置下，寄生電容量導致意外導通。這個由米勒效應誘發的導通結果，會增加逆向復原能量並擴大損耗。有個解決方法是賦予驅動器所謂的米勒鉗位保護功能，以便在功率級切換期間控制驅動電流。
• 以適當的電壓提供所需的流入與流出電流。比起矽 MOSFET，SiC 元件通常需要更高的正偏壓閘極驅動電壓 (+20 V)，才能將損耗降到最低；另外，SiC 元件可能還需要 -2 至 -6 V 的負截止閘極電壓。需要的閘極電流量，係根據閘極電荷 (Q_g)、V_DD、汲極電流 I_D、閘極至源極電壓以及閘極電阻，以普通計算式得出，而且一般只有幾安培左右。此電流必須有適當的流入與流出額定值，且迴轉率與 SiC FET 的切換速度相當。
• 對板件與元件的寄生效應 (雜散電感和雜散電容) 進行模型建構並將其降至最低，但這可能會在這些元件處於較高的切換速度時引起振盪、電壓／電流過衝以及誤觸發。矽 MOSFET 有少量的電流「尾」，可充當阻尼或緩衝器，能將過衝和振鈴減少至某個程度。SiC MOSFET 沒有電流尾，因此汲極電壓過衝和振鈴可能會更高，並造成問題。減少這些寄生效應需要謹慎留意佈局問題，將導線長度縮到最短，並讓驅動器盡可能靠近其電源元件。即便只有短短幾公分也可能造成差異，因為這些雜散電感和雜散電容的影響，在 SiC FET 較快的切換速度下會更為顯著。減少振鈴還有第二個優點，即可減少因元件驅動器端和負載端高速切換而產生的 EMI。

儘管驅動 SiC MOSFET 時涉及其他問題，但有很多廠商都有針對此用途推出標準 IC，而且屬性符合 SiC 元件的特定需求。請注意，在許多設計裡，閘極驅動器及 SiC FET 必須與低電壓電路進行電流隔離。藉由光學脈衝變壓器，或是採用標準元件的電容隔離技術，都能達到隔離。之所以需要隔離，首先是基於安全考量，避免使用者在電路故障時受到高電壓的傷害，其次是因為在許多電路拓撲 (例如橋接型配置) 中，MOSFET 本身並不會接地。

新元件展現效能潛力

第一個商業化封裝的 SiC MOSEFT (CMF20120D)，由 Wolfspeed 於 2011 年 1 月推出 (Wolfspeed 是 Wolfspeed的電源與 RF 事業部；此名稱係於 2015 年正式公佈)；在此之前，SiC 晶圓已問世多年。此元件額定值為 1200 V/98 A，導通電阻為 80 mΩ (皆在 25°C 下)，且採用 TO-247 封裝。Wolfspeed不久之後推出第 2 代製程，如今則提供第 3 代 SiC MOSEFT 專屬的 C3M 元件 (圖 2)。

圖 2：Wolfspeed的第 2 代 (左) 和第 3 代 (右) SiC 製程結構在比較之下顯示一些差異，但這些橫截面並未展現效能規格方面的改善成果。(圖片來源：Wolfspeed)

例如，C3M0280090J 是業界首批 900 V SiC MOSFET 平台的系列成員之一。此產品針對高頻電力電子應用進行最佳化，如再生能源逆變器、電動車充電系統，以及三相工業電源供應器 (表 1)。

表 1：Wolfspeed的 C3M0280090J SiC MOSFET 首要屬性，顯示出其適用於再生能源逆變器、電動車充電系統以及三相工業電源供應器。(表格來源：Wolfspeed)

除了電壓／電流規格外，此元件還針對高速切換及低電容量進行最佳化，更採用低阻抗封裝與驅動器源連接 (圖 3)，並設有逆向復原電荷 (Qrr) 較低的快速本體二極體，而且在汲極和源極間設置了較長的沿面距離 (大約 7 mm)。

圖 3：Wolfspeed的 C3M0280090J 採用低阻抗封裝與驅動器源連接。(圖片來源：Wolfspeed)

此 900 V 平台能實現更小、更高效率的新一代電源轉換系統，成本與矽架構解決方案相當，但規格更優異。安全工作區 (SOA) 圖能概覽此 SiC FET 的能力 (圖 4)。當汲極至源極的電壓 (V_DS) 較低時，最大電流會受到導通電阻的限制；而在 V_DS 適度的情況下，此元件可在短時間內維持 15 A 的電流。

圖 4：Wolfspeed的 C3M0280090J 安全工作區圖顯示其 I_DS 與 V_DS 能力。(圖片來源：Wolfspeed)

封裝會影響效能表現

Wolfspeed還提供三個規格類似的元件，包括 C3M0075120D、C3M0075120K 和 C3M0075120J，而三者之間的差異主要是封裝不同的結果 (圖 5)。

圖 5：Wolfspeed以三種封裝提供同樣的 1200 V SiC FET，其規格大致相似，但並非完全相同。(圖片來源：Wolfspeed)

這些數字除了提供事實外，還有更多含意。尾碼為 D 的元件，採用三端子封裝 (TO-247-3)，尾碼為 K 的元件則採用四端子封裝 (TO-247-4)。這兩個元件以及尾碼為 J 的七端子元件，均含有 Kelvin 源引腳，能減少閘極電路 L x di/dt 所引發的電壓尖峰效應。如此即可在閘極和源極施加更多的電壓，達到更快的動態切換。結果顯示，在接近額定電流的情況下測量元件時，切換損耗有可能降低 3.5 倍。

評估板和公版設計可加速邁向成功之路

雖然與 GHz 頻率的 RF 設計截然不同，但在打造高效能電路，以便在更高電壓和功率範圍下運作時，依然需要注意細節。元件和佈局的每個細微之處和特質都會被放大，哪怕是最微小的問題和疏失，都會對實體電路造成無法估算的影響。

為了幫助設計人員評估 C3M0075120D 及 C3M0075120K 等 SiC FET，Wolfspeed提供 KIT-CRD-3DD12P 升降壓評估套件，以展示這些元件的高速切換效能 (圖 6)。此套件可接受三端子封裝 C3M0075120D，以及在其他方面完全相同的四端子封裝 C3M0075120K。因此，設計人員可針對 Wolfspeed 的第 3 代 (C3M) MOSFET 在採用不同封裝下的效能進行測試與比較。

圖 6：KIT-CRD-3DD12P 評估套件能以簡便的方式針對採用 TO-247 封裝的三端子 C3M0075120D 以及四端子 C3M0075120K 進行效能評估；請注意，大型散熱片和環型電感有助於達到優異的散熱效能。(圖片來源：Wolfspeed)

此評估套件採用半橋配置，允許在上方和下方位置新增 MOSFET 或二極體，因此可將板件配置成常見的電源轉換拓撲，如同步降壓或同步升壓。另外也可在頂端或底部位置新增二極體，使用者就可評估非同步降壓或非同步升壓轉換器拓撲。

此外，為了減少功率損耗，此套件還搭載以「鐵矽鋁」製成的低損耗電感。這種磁性金屬粉末又稱為 Kool Mµ，成分有 85% 的鐵、9% 的矽和6% 的鋁。會使用此材料取代高導磁合金，是因為在主要的磁性與溫度參數規格上有所改進。

有些使用者需要設計其專屬的閘極驅動器子電路，Wolfspeed 也針對這些第 3 代 SiC FET 提供 CGD15SG00D2 閘極驅動器公版設計 (圖 7)。

圖 7：CGD15SG00D2 閘極驅動器公版設計的頂部 (左) 和底部 (右)。此板件相當完備，具有完整的 BOM 和佈建項目，能讓使用者對採用相同 SiC MOSFET 晶粒的三引線與四引線 TO-247 封裝進行效能評估。(圖片來源：Wolfspeed)

CGD15SG00D2 的高階方塊圖 (圖 8) 顯示此公版設計的功能，包括光耦合器 (U1)、閘極驅動器積體電路 (U2) 以及隔離式電源供應器 (X1)。光耦合器 (5000 VAC 隔離) 可接受脈寬調變 (PWM) 訊號，並提供 35/50 kV/µs (最小／典型) 的共模耐受能力。其他值得注意的特點如下：

• 印刷電路的邏輯側與電源側之間，有一條溝槽可增強規定的沿面距離規格；而板件的主電路與二次電路之間，有一條 9 mm 的沿面距離增強溝槽。
• 有一個 2 W 隔離式電源供應器，可支援更大型的 MOSFET 以更高的頻率運作。
• 具有獨立的閘極導通與非導通電阻並搭載專用的二極體，可讓使用者自訂並最佳化導通與非導通訊號。
• 邏輯電源輸入採用共模電感，可增強 EMI 耐受能力。

圖 8：CGD15SG00D2 閘極驅動器公版設計的高階方塊圖顯示出主要的功能區塊，包括光耦合器 U1、閘極驅動器 IC U2 以及隔離式電源供應器 X1。(圖片來源：Wolfspeed)

結論

與傳統的 Si MOSFET 相比，Wolfspeed 的第 3 代 SiC MOSFET 在電源切換應用的效率和散熱能力方面具有明顯的效能優勢。若搭載合適的驅動器，這些產品能為既有以及新興的應用提供可靠一致的效能。