開關(guān)性能大幅提升！M3S 與M2 SiC MOSFET直觀對比

安森美 (onsemi)的1200V 分立器件和模塊中的 M3S 技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。M3S MOSFET 的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗均較低，提供 650 V 和 1200 V 兩種電壓等級選項(xiàng)。本白皮書側(cè)重于探討專為低電池電壓領(lǐng)域的高速開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的先進(jìn) onsemi M3S 650 V SiC MOSFET 技術(shù)。通過各種特性測試和仿真，評估了 MOSFET 相對于同等競爭產(chǎn)品的性能。第一篇介紹SiC MOSFET的基礎(chǔ)知識、M3S 技術(shù)和產(chǎn)品組合（三代進(jìn)化，安森美 EliteSiC MOSFET 技術(shù)發(fā)展解析 http://www.ex-cimer.com/article/202502/467126.htm）。本文為第二篇，將介紹電氣特性、參數(shù)和品質(zhì)因數(shù)、拓?fù)渑c仿真等。

電氣特性、參數(shù)和品質(zhì)因數(shù)

在本小節(jié)中，我們將比較 M3S SiC MOSFET (NVBG023N065M3S) 與 M2 器件 (NVBG060N065SC1) 以及競爭器件。我們選擇了導(dǎo)通電阻和峰值電流均非常相似的表面貼裝器件 (SMD) 作為開關(guān)，并在不同條件下進(jìn)行了特性測試，以比較各器件的重要參數(shù)。

a. 靜態(tài)參數(shù)

器件的導(dǎo)通損耗可以用關(guān)鍵參數(shù) RDS(on)來衡量。因此，本小節(jié)在 25°C 和 175°C 結(jié)溫下測量了器件的 RDS(on)特性。此外還在 15 V 和 18 V 兩個不同的柵極-源極電壓下進(jìn)行了測量，其中導(dǎo)通脈沖寬度為 300 μs。圖2為 NVBG023N065M3S、NVBG060N065SC1 與競爭產(chǎn)品 A 的導(dǎo)通電阻測量結(jié)果。

圖 1. 25°C（左）和 175°C（右）條件下器件的導(dǎo)通電阻比較

測試得出的主要結(jié)論是NVBG023N065M3S 器件在各種電流水平下均具有穩(wěn)定的 RDS(on)。NVBG023N065M3S 的 RDS(on)從 5 A 到 100 A 的偏差為 13%，而 NVBG060N065SC1 和競爭產(chǎn)品 A 的對應(yīng)數(shù)值分別為 25% 和 26%。

b. 動態(tài)參數(shù)

SiC 器件的反向恢復(fù)電荷比 Si MOSFET 少，因此開通峰值電流更小，開通開關(guān)損耗也更低 [1]。為了更好地理解和量化開關(guān)損耗，通常使用 Ciss、Coss、Crss和 Qrr等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行評估。在大多數(shù)高功率應(yīng)用中，Ciss、Coss、Crss的電壓水平一般都超過 10 V。米勒電容 (Crss) 至關(guān)重要，因?yàn)樗梢择詈下O和柵極電壓。

在開關(guān)過程中，較低的 Crss減少了改變 MOSFET 狀態(tài)所需提供或從柵極移除的電荷量。這使器件能夠更快地在開通和關(guān)斷狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而縮短電壓電流同時較高的時間，減少開關(guān)損耗。圖3比較了 M3S、M2 和競爭產(chǎn)品 A 之間的電容。

安森美的新一代產(chǎn)品 NVBG023N065M3S 在 VDS≥ 11V 時的 Crss值較低，這有助于減少導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)損耗。此外，NVBG023N065M3S 的 Coss值非常接近競爭產(chǎn)品，并且在某些電壓水平下優(yōu)于其他器件 [2]。

圖 2. 輸入、輸出和反向傳輸電容比較

本文測量了幾種負(fù)載電流條件下兩種器件的開關(guān)損耗。測量過程采用雙脈沖測試設(shè)置，測試條件設(shè)定如下：

◆ Vin= 400 V,

◆ Rg= 2 Ω ? 4.7 Ω,

◆ Vgs_on= +18 V,

◆ Vgs_off= ?3 V,

◆ 開關(guān)電流 = [5A, 100A]

每個器件的內(nèi)部柵極電阻不同，因此總柵極電阻匹配為 6 Ω。圖 3 為這三個器件在 25°C 時的開通、關(guān)斷和總開關(guān)損耗。

圖 3. 25°C 時的開關(guān)損耗比較

可以得出結(jié)論，與其他兩款器件相比，NVBG023N065M3S 的開通和關(guān)斷損耗更低。在 5 A 至 100 A 的負(fù)載電流范圍內(nèi)，NVBG023N065M3S 的平均總損耗與上一代器件 NVBG060N065SC1 相比減少了 31%，與競爭產(chǎn)品 A 相比減少了 42%。

進(jìn)行反向恢復(fù)測試時，漏極電流為 ID= {20 A, 40 A, 60 A}，總柵極電阻為 Rg, tot= 8.5 Ω，柵極電壓為 Vgs= ?3 V/18 V，溫度為 25 °C。根據(jù)圖 5 中的結(jié)果，與競爭產(chǎn)品 A 相比，安森美新一代 NVBG023N065M3S 的反向恢復(fù)時間更短、反向恢復(fù)電荷更少且反向恢復(fù)能量也更低，因此具有更優(yōu)異的反向恢復(fù)性能。

圖 4. 25°C 反向恢復(fù)特性比較

c. 參數(shù)和品質(zhì)因數(shù)比較

下表總結(jié)了各器件主要屬性的比較情況。各數(shù)值的每個屬性已根據(jù) M3S 器件值進(jìn)行歸一化。

圖 5. 各電源器件性能比較

根據(jù)圖 5，可以得出關(guān)于 NVBG023N065M3S 的以下結(jié)論：

◆ 與競爭產(chǎn)品器件相比，開關(guān)損耗降低 35%。

◆ 175°C 時，特定導(dǎo)通電阻比競爭產(chǎn)品器件低 28%。

◆ 與競爭產(chǎn)品器件相比，反向恢復(fù)電荷低 26%。

這證明 M3S 是適用于硬開關(guān)應(yīng)用的出色技術(shù)。

拓?fù)渑c仿真

a. 基準(zhǔn)拓?fù)?/p>

安森美的 M3S SiC MOSFET 專為高頻開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是車載充電器應(yīng)用和 HV DC/DC 轉(zhuǎn)換器的理想選擇。相關(guān)器件經(jīng)過專門定制，具有超低開關(guān)損耗，同時保持非常低的導(dǎo)通損耗，因此成為了圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 轉(zhuǎn)換器等硬開關(guān)應(yīng)用的理想選擇。此外，由于導(dǎo)通電阻 RDS(on)較低、開關(guān)損耗非常小，M3S 器件也是LLC 轉(zhuǎn)換器、CLLC 轉(zhuǎn)換器和相移全橋等軟開關(guān)應(yīng)用的優(yōu)選。

圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器是一種簡單且高效的拓?fù)?，廣泛應(yīng)用于需要高密度設(shè)計(jì)的領(lǐng)域。需要更高的功率和更高的能效時，可采用三相交錯式圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器（圖 6）。

圖 6. 三相交錯式圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器

b. PFC 轉(zhuǎn)換器的功率損耗比較示例

在前面幾小節(jié)中，我們通過測量值評估了導(dǎo)通和開關(guān)損耗，然后使用 PSIM 仿真程序?qū)Ρ攘藫p耗情況[3]。選擇三相圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器作為拓?fù)?，并采用以下測試條件（如圖6所示）。

◆ Vin= 230 Vrms

◆ Vout= 400 V

◆ Rg, tot= 6.1 Ω

◆ Vgs= ?5/18 V

◆ Fsw= 100 kHz

◆ Pout= 11 kW

表 2 展示了每種器件滿負(fù)荷（11 kW）時的功率損耗。可以觀察到，NVBG023N065M3S 器件受益于較低的導(dǎo)通損耗以及較低的開關(guān)損耗，最終實(shí)現(xiàn)了更高的系統(tǒng)能效。

表 1. 基于 PSIM 仿真結(jié)果的單個器件損耗

結(jié)論

安森美M3S 650V SiC MOSFET 技術(shù)在電力電子領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，尤其適用于電動汽車 (EV) 和其他節(jié)能系統(tǒng)中的高速開關(guān)應(yīng)用。從 M1 到 M3 的演進(jìn)將特定導(dǎo)通電阻 (RSP) 降低 50% 以上，并引入了四引腳 TO-247-4 等封裝創(chuàng)新，逐步提高了開關(guān)性能，這彰顯了安森美致力于優(yōu)化 MOSFET 設(shè)計(jì)的承諾。M3S 產(chǎn)品組合以低 RDS(on)和出色的開關(guān)性能而聞名，在車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等成本敏感型市場中占據(jù)領(lǐng)先技術(shù)地位。

特性分析結(jié)果表明，M3S 與安森美前幾代產(chǎn)品的性能優(yōu)于競爭產(chǎn)品，開關(guān)損耗降低 31-42%，總開關(guān)損耗降低 35%。M3S的輸出和反向電容較低，有助于加快開關(guān)速度，也因此成為了圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器等硬開關(guān)拓?fù)浜?LLC 轉(zhuǎn)換器等軟開關(guān)拓?fù)涞睦硐脒x擇。此外，M3S SiC MOSFET 表現(xiàn)出優(yōu)異的反向恢復(fù)性能，與競爭產(chǎn)品相比，恢復(fù)電荷和能量顯著降低，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)能效。

隨著電動汽車系統(tǒng)對功率密度、能效和熱性能的要求不斷提高，M3S 技術(shù)解決了行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。搭配全面的產(chǎn)品組合，安森美M3S MOSFET 為高能效電源轉(zhuǎn)換提供了多功能的可靠解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]     Performance Comparison of 1200 V SiC MOSFET and Si IGBT Used in Power Integrrated Module for 1100 V Solar Boost Stage – (Application note) https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND90082?D.pdf.

面向 1100 V 太陽能升壓級電源集成模塊的 1200 V SiC MOSFET 與 Si IGBT 的性能比較 – （應(yīng)用手冊）https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND90082?D.pdf。

[2]     Eskandari, S.(2019). Modeling and Loss Analysis of SiC Power Semiconductor Devices for Switching Converter Applications. (Doctoral dissertation). Retrieved from https://scholarcommons.sc.edu/etd/5124

Eskandari，S.（2019）。用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的 SiC 電源半導(dǎo)體器件的建模和損耗分析 (Modeling and Loss Analysis of SiC Power Semiconductor Devices for Switching Converter Applications)。（博士論文）。摘自https://scholarcommons.sc.edu/etd/5124

[3]     Uninterruptible Power Supply (UPS) Design Challenges and Considerations – (White paper) https://www.avnet.com/wps/wcm/connect/onesite/3899bd9c?5123?46f2?9c79?3286de3f0bb1/Whitepaper+?+Uninterruptible+Power+Supply+%28UPS%29.PDF?MOD=AJPERES&CVID=ocMwD5s&CVID=ocMwD5s.