三代進化，安森美 EliteSiC MOSFET 技術發(fā)展解析

SiC 器件性能表現突出，能實現高功率密度設計，有效應對關鍵環(huán)境和能源成本挑戰(zhàn)，也因此越來越受到電力電子領域的青睞。與硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 相比，SiC 器件的運行頻率更高，有助于實現高功率密度設計、減少散熱、提高能效，并減輕電源轉換器的重量。其獨特的材料特性可以減少開關和導通損耗。與 Si MOSFET 相比，SiC 器件的電介質擊穿強度更高、能量帶隙更寬且熱導率更優(yōu)，有利于開發(fā)更緊湊、更高效的電源轉換器。

安森美 (onsemi)的 1200V 分立器件和模塊中的 M3S 技術已經發(fā)布。M3S MOSFET 的導通電阻和開關損耗均較低，提供 650 V 和 1200 V 兩種電壓等級選項。本白皮書側重于探討專為低電池電壓領域的高速開關應用而設計的先進 onsemi M3S 650 V SiC MOSFET 技術。通過各種特性測試和仿真，評估了 MOSFET 相對于同等競爭產品的性能。本文為第一篇，將重點介紹SiC MOSFET的基礎知識、M3S 技術和產品組合。

簡介

雖然 SiC 器件已在工業(yè)領域應用多年，但在汽車行業(yè)的應用仍處于早期階段。該器件廣泛用在各種電動汽車器件中，例如主驅逆變器、DC-DC 轉換器、輔助電源裝置等。SiC MOSFET 為車載 DC-DC 轉換器帶來了諸多優(yōu)勢，包括更低的開關和導通損耗、更高的效率和功率密度以及更寬的溫度范圍。

SiC MOSFET 的另一個車載應用場景是車載充電器 (OBC)。目前，大多數電動和插電式混合動力汽車 (PHEV) 都配備了車載充電器，可以通過插座或交流充電站為電池充電。使用 SiC 器件替代基于 Si 的電源 MOSFET 可以提高車載充電器的功率密度和能效，同時相關 SiC 系統(tǒng)的成本也比基于 Si 的車載充電器更低 [1]。

在設計車載 DC-DC 轉換器和車載充電器時，工程師總是難以妥善調整 SiC 器件并充分發(fā)揮該技術的潛力。為了減小磁性器件的體積并提高變換器的性能，可以提高電源器件的開關頻率。得益于 SiC 的材料特性，與 Si MOSFET 和 IGBT 相比，其開關和導通損耗更低 [2]。

M3S 技術和產品組合

a. 技術說明

安森美 EliteSiC MOSFET 技術歷經了三代發(fā)展。第一代 M1 采用經典的平面 DMOS 結構，關鍵尺寸適中，標志著安森美首次進軍 SiC MOSFET 市場。

第二代 M2 實現了重大進展。布局從正方形轉變?yōu)榧氶L的六邊形，從而提高了單元電芯密度。此外，襯底減薄 70% 以上，有效降低了寄生電阻，使特定導通電阻 (RSP) 下降 20%。

第三代 M3 引入了更多創(chuàng)新。先前的方形和六邊形幾何單元電芯被條形設計所取代，大幅減小了單元電芯間距。與 M2 相比，此次改進使 RSP 又降低 30%。M3 技術部署到了兩種特定應用的產品中：M3S 和 M3E/M3T。M3E 產品旨在滿足主驅逆變器應用的要求，短路耐受時間約為 1.5 μs，但這是以犧牲 RSP 為代價的。另一方面，本文重點介紹的 M3S 實現了超低 RSP，并且不受短路耐受時間的限制，是車載充電器和高壓 DC-DC 轉換器等高速應用的理想選擇。

圖 1. EliteSiC MOSFET 的技術演進

b. 產品組合

M3S 650 V SiC MOSFET 器件用于競爭激烈且成本敏感的 400 V 電動汽車市場，可廣泛應用于車載充電器和 DC-DC 轉換器。

該器件有三種不同的封裝選項（TO-247-3、TO-247-4 和 D2Pak），導通電阻分別為 23 mΩ 和 32 mΩ。三種封裝的電容相似，而功耗 (PD) 和結至外殼熱阻 (RθJC) 略有差異。三引腳和四引腳 TO-247 之間的區(qū)別在于，通過開爾文源連接，四引腳版本的開關性能更佳。使用第四個驅動源引腳可將柵極環(huán)路中的寄生電感降至更低。降低漏源電壓尖峰和柵極振鈴可降低 EMI 并提高可靠性。

D2PAK 旨在幫助降低寄生電感并提高機械穩(wěn)健性，其緊湊的尺寸可實現高集成度和高密度設計。然而，與 TO-247 封裝相比，D2PAK 的熱管理設計更具挑戰(zhàn)性。TO-247 封裝支持將其散熱焊盤直接連接到散熱片。然而，D2PAK 的散熱焊盤焊接到印刷電路板 (PCB) 上，然后連接到散熱片，從而在路徑中引入了額外的熱阻。

表 1. M3S 650 V SiC MOSFET 已發(fā)布產品

參考文獻

[1]     B.Shi, A.Ramones, Y.Liu, H.Wang, Y.Li, S.Pischinger, J.Andert, “A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development” in IET Power Electronics, vol. 16, no. 12, 2017. https://doi.org/10.1049/pel2.12524.

B.Shi、A.Ramones、Y.Liu、H.Wang、Y.Li、S.Pischinger、J.Andert，“電動汽車中碳化硅 MOSFET 的綜述：應用、挑戰(zhàn)與未來發(fā)展”(A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development)，《IET Power Electronics》，第 16 卷，第 12 期，2017 年。https://doi.org/10.1049/pel2.12524。

[2]     J. Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D. Callegaro, J. Reimers and A. Emadi, “A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles,” in IEEE Access, vol. 9, pp. 51501-51518, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3069448.

J.Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D.Callegaro、J. Reimers 和 A. Emadi，“電動汽車雙向車載充電器綜述”(A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles)，《IEEE Access》，第 9 卷，第 51501-51518 頁，2021 年，doi：10.1109/ACCESS.2021.3069448。

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