利用碳化矽 MOSFET 降低高電壓切換模式電源系統的損耗

從電動車 (EV) 和光電 (PV) 逆變器到儲能與充電站，電力電子應用的數量和多樣性都在不斷增加。這些應用需要更高的工作電壓、功率密度、效率與可靠性，以及更低的損耗。要滿足這些需求，可使用以寬能隙 (WBG) 技術為基礎的功率元件，例如不斷尋求改進的碳化矽 (SiC) 技術。

選擇 SiC 的原因

相對於矽 (Si)，SiC 等 WBG 半導體材料具有許多其他特點，因此非常適合在設計切換模式電源系統時選用。能隙係指「將電子從材料的價能帶移至電導帶」所需的能量。SiC 的能隙較寬，能帶來更高的工作電壓。其他重要特性包括熱傳導率、「導通」電阻、電子遷移率及飽和速度。

熱傳導率用於判斷熱量從半導體接面傳遞至外部環境的速度。SiC 的熱傳導率幾乎是 Si 的三倍。這使 SiC 元件變得更容易冷卻，獲得更高的溫度額定值，並使 SiC 半導體比其他電壓額定值相仿的同等 Si 元件更薄。因此在特定的電壓和功率額定值下，元件體積能夠更小。

有了 SiC，設計人員能為相同大小的晶粒增加電流承載面積，降低元件的電阻。這使得 SiC 元件具有最顯著的優勢：元件能在相同電壓額定值下達到較低的通道導通電阻 (R_DS(ON))。較低的 R_DS(ON) 能降低導通損耗，進而提升效率。

SiC 半導體提供更大的電子遷移率，因此工作頻率比 Si 元件更高。在較高切換頻率下操作電源電路能大幅節省成本，因為縮小變壓器、扼流圈、電感和電容等被動元件的尺寸。隨著尺寸縮小，這些元件的體積也縮減，使得整體功率密度更高。

飽和速度是指電子在高電場中的最高速度。SiC 半導體中的電子速度，是 Si 半導體的兩倍，這能加快切換速度和降低切換損耗。

SiC MOSFET 最新範例

基於 SiC 的核心優勢，Vishay 推出 1200 V MaxSiC 系列 SiC MOSFET。此系列使用自行研發的 MOSFET 技術，在標準封裝中提供 45、80 和 250 mΩ R_DS(ON) 值，適用於許多工業應用，例如牽引逆變器、光電能源轉換與儲能、板載充電器和充電站。此系列切換速度快、短路耐受時間 (SCWT) 為 3 µs。

MaxSiC MOSFET 是一種 N 通道元件，最大汲極對源極電壓 (V_DS) 額定為 1200 V，工作溫度介於 -55 至 150 °C。對於每個 R_DS(ON) 值，元件採用兩種標準通孔式封裝。功率耗散上限和汲極電流因型號而異，最大功率耗散值和連續汲極電流 (I_D) 分別為 227 W 與 49 A (表 1)。

圖中列出的 MaxSiC MOSFET 採用三引線或四引線 TO247-AD 封裝 (圖 1)。

圖 1：MaxSiC MOSFET 採用三引線或四引線 TO-247AD 封裝 (圖片來源：Vishay)

四引線封裝為閘極驅動連接增加一條開爾文連接式引線，使源極引線連接中的汲極電流壓降達到最低耦合度。

現今有些應用需切換超過 600 V 及切換至 227 W 功率等級，例如 400 和 800 V 汽車電瓶系統、光電電源與充電站，這些都非常適合採用 MaxSiC MOSFET。

結論

Vishay MaxSiC MOSFET 是汽車與電力產業的創新高功率元件。此元件提供比標準 Si 元件更高的電壓規格和更低的通道電阻，因此非常適合那些需達到低損耗和高效率的設計。