碳化硅（SiC）本身以及由此產(chǎn)生的MOSFET等半導(dǎo)體的生產(chǎn)比硅的要求要高得多。然而，盡管存在最初的技術(shù)障礙，SiCMOSFET已經(jīng)在市場(chǎng)上確立了自己作為硅基IGBT和MOSFET的高性能替代品的地位。它們用于各種高效率或體積起主要作用的電力電子電路中。典型應(yīng)用包括用于車載開(kāi)關(guān)電源、光伏系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。特別是在對(duì)功率半導(dǎo)體和性能有不斷提高要求及巨大需求的電動(dòng)汽車中。
作為 SiC MOSFET 技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者之一，Rohm 推出了新一代器件，以滿足不斷增長(zhǎng)的要求。但這還不是全部：該公司還擴(kuò)大了生產(chǎn)設(shè)施。隨著位于日本筑后（Chikugo）阿波羅工廠的新半導(dǎo)體工廠以及生產(chǎn)碳化硅原料晶圓的紐倫堡子公司SiCrystal的擴(kuò)建，Rohm正在顯著提高其生產(chǎn)能力。此外，晶圓直徑從100毫米增加到150毫米。通過(guò)這些前瞻性的步驟，公司針對(duì)未來(lái)需求做好準(zhǔn)備，以便能夠?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
新一代SiC MOSFET
近年來(lái)，SiC MOSFET技術(shù)不斷發(fā)展，早年出現(xiàn)的障礙早已被克服。2015年，Rohm成為第一家在市場(chǎng)上推出采用溝槽技術(shù)SiC MOSFET 的公司，此后，其進(jìn)一步發(fā)展出第四代SiC MOSFET。
與以前的技術(shù)相比，這顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)：增加的電流密度導(dǎo)致芯片更小，因?yàn)閷?dǎo)通電阻RDS（on）比具有相同芯片面積的第三代小40%。此外，Rohm 還調(diào)整了元件中的寄生電容，使其開(kāi)關(guān)速度更快，損耗更小。
表一：第四代750V級(jí)RohmSiC MOSFET。（（*）規(guī)劃中符合汽車標(biāo)準(zhǔn)）
采用該技術(shù)規(guī)劃的產(chǎn)品涵蓋范圍廣泛- 從具有金屬化層的各種裸芯片到經(jīng)典TO封裝的分立元件，再到用于電動(dòng)汽車的現(xiàn)代緊湊型模塊。表1和表2概述了新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。
表二：第四代1200V級(jí)RohmSiC MOSFET。（（*）規(guī)劃中符合汽車標(biāo)準(zhǔn)）
該列表中的器件涵蓋盡可能多的應(yīng)用- 包括工業(yè)和汽車行業(yè)。列出的器件涉及用于通孔或表面安裝的分立元件。其中，帶有開(kāi)爾文源連接引腳（TO-247-4L，TO-263-7L）的封裝比帶有三個(gè)連接引腳的TO-247N封裝更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镸OSFET通過(guò)附加輔助連接引腳可進(jìn)行最優(yōu)控制，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。TO-263-7L 封裝是自動(dòng)化安裝SMD器件的理想選擇，該器件件還具有較少的寄生電感。如果需要延長(zhǎng)封裝中的爬電距離，則TO-247-4L封裝滿足 IEC60664-1規(guī)定的爬電距離要求，而無(wú)需采取進(jìn)一步的措施，例如灌封。
可靠短路檢測(cè)
降低導(dǎo)通電阻的限制因素之一是MOSFET的短路電阻。具有較小的芯片尺寸值意味著在發(fā)生短路時(shí)元件的負(fù)荷會(huì)更重，除非在芯片級(jí)采取對(duì)策，否則較難處理。在第四代產(chǎn)品中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)了修改，使器件件具有足夠的短路電阻，從而為市售的具有去飽和功能的快速柵極驅(qū)動(dòng)器IC提供了足夠的時(shí)間來(lái)檢測(cè)短路并安全關(guān)斷。
圖 1：SCT4036KR型SiC MOSFET可在短路時(shí)使用柵極驅(qū)動(dòng)器BM6112FV-C的集成退飽和功能在不到2μs的時(shí)間內(nèi)安全關(guān)斷。（圖片來(lái)源：Rohm）
圖1顯示了SCT4036KR型SiC MOSFET在短路過(guò)程中的電流和電壓曲線。在這種情況下，使用了柵極驅(qū)動(dòng)器芯片BM6112FV-C，它通過(guò)漏源電壓（經(jīng)典的退飽和法）提供短路檢測(cè)。在這種情況下，檢測(cè)到短路的時(shí)間是860 ns?？傮w而言，短路持續(xù)約1.6 μs，直到MOSFET完全關(guān)斷，而不會(huì)對(duì)元件造成損壞。
新器件評(píng)估套件
在充分利用新技術(shù)方面，新技術(shù)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，羅姆（Rohm）提供了合適的評(píng)估套件（EVK）。由于半橋是電力電子中最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，因此已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩種EVK評(píng)估套件。其包括 MOSFET、柵極控制、母線電容器和連接器。
一種EVK設(shè)計(jì)用于采用通孔封裝的 MOSFET（TO-247-4L 和TO-247N 的型號(hào)），另一種用于 SMT 封裝（圖2）。布局和元件選擇適合作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的參考。對(duì)于快速開(kāi)關(guān)元件，必須特別注意確保布局、柵極控制和支撐電容器得到最佳選擇和布置。否則，電路的功率會(huì)降低。
EVK提供了將開(kāi)關(guān)用作降壓和升壓轉(zhuǎn)換器或單相逆變器的可能性。當(dāng)然，也可以僅在脈沖模式下工作，以便評(píng)估器件在特定條件下的動(dòng)態(tài)行為。柵極控制是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的ICBM61x41RFV-C實(shí)現(xiàn)的，該IC提供隔離、密勒鉗位和UVLO功能。輔助電源有兩種不同的方案：基于BD7F200EFJ-BE2（THT-EVK）的每個(gè)開(kāi)關(guān)使用單獨(dú)的反向轉(zhuǎn)換器，以及基于BU4S584G2和BD62120AEFJ（SMD-EVK）的自振蕩半橋和變壓器，帶有單獨(dú)的次級(jí)繞組。在兩個(gè)EVK中，開(kāi)關(guān)的電流曲線都可以使用羅氏線圈或同軸分流電阻器進(jìn)行檢測(cè)。
高效運(yùn)行
圖3：SCT4062KW7在不同柵源電壓U_GS及U_in = 800V、U_out= 400V、R_G = 5.1Ω、f_sw = 45 kHz、無(wú)間隙操作）的效率。（圖片來(lái)源：Rohm）
Rohm 使用SMD開(kāi)關(guān)的 EVK 作為降壓控制器來(lái)研究MOSFET的性能。本研究的目的是確定當(dāng)SCT4062KW7 MOSFET在45kHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作時(shí)可以達(dá)到的效率。輸入電壓為800V，輸出電壓為400V。DC-DC轉(zhuǎn)換器在不同輸出功率下的效率曲線如圖3所示?？梢钥闯?，2.5 kW時(shí)的效率略低于99.0%。
測(cè)試了兩種版本：在第一種配置中，使用18V的柵源電壓 - 如數(shù)據(jù)手冊(cè)中所建議的那樣。此外，還對(duì)15V的電壓進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量。在曲線的基礎(chǔ)上，可以看出兩種工作模式幾乎沒(méi)有區(qū)別。只有測(cè)得的外殼溫度在柵源電壓為15V時(shí)略高。這意味著新一代SiC MOSFET的使用更加靈活，因?yàn)樗灰欢ㄏ褚郧澳菢有枰?18V控制。
總結(jié)
市場(chǎng)對(duì)碳化硅MOSFET的接受度越來(lái)越高，這表明這些元件是電力電子技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。有了第四代器件，Rohm希望為這一趨勢(shì)做出貢獻(xiàn)。由于這些MOSFET性能的改進(jìn)，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)更高的效率并實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。此外，與上一代產(chǎn)品相比，最新一代產(chǎn)品在控制電壓選擇方面提供了更大的靈活性。
為了簡(jiǎn)化這項(xiàng)技術(shù)的引入，Rohm提供了各種評(píng)估套件。其中包含的設(shè)計(jì)對(duì)于想要使用這些器件設(shè)計(jì)電路的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)也是一個(gè)很好的基礎(chǔ)。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，短路保護(hù)也不應(yīng)該是問(wèn)題，因?yàn)檫@可以通過(guò)普通的柵極驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)實(shí)現(xiàn)。
