功率轉換系統的效率日益受到關注，并且對于經濟和環境問題越來越重要。80 PLUS标準钛合金中定義的效率水平要求高達96％（在50％負載下）：替代的，更高效的拓撲以及采用基于寬帶隙（WBG）材料的晶體管可以幫助最大程度地減少總損耗，因此提高效率。

本文旨在展示在某些功率轉換領域中，使用SiC MOSFET替代傳統功率開關的好處。我們從WBG材料的概述開始，并描述它們的特性如何影響功率晶體管的主要參數及其在實際應用中的特性和性能。

重點介紹了SiC晶體管可實現的效率提高。為此，我們展示了兩個主要示例：圖騰柱無橋PFC拓撲和半橋逆變器。這些拓撲可用于從電動機控制到不間斷電源和可再生能源發電系統的各種應用中。我們分析了功率損耗的示例并給出了結果。

WBG材料簡介

與常規矽相比，WBG材料具有相對較寬的能帶隙（在價帶和導帶之間）。碳化矽（SiC）和氮化镓（GaN）是當今使用最廣泛的WBG材料。表1顯示了WBG和Si基材料的主要特性。

許多物質化合物以稱為多晶型物的不同晶體結構存在。碳化矽在這方面非常獨特，因為研究人員已經鑒定出250多種不同的碳化矽多晶型物。3C-SiC和4H-SiC由于其卓越的半導體性能而成為最常用的多型體。本文使用的SiC晶體管基于4H-SiC。用eV表示的能隙是結晶固體中電子的導帶底部和價帶頂部之間的差。半導體表現出1 eV <E G <4 eV，而E G高于9 eV的材料通常是絕緣體，而E G低于1 eV的材料則是導體。

電子遷移率是對電子在電場作用下能在多大程度上移動通過材料的量度。與基于Si的MOSFET （表1）相比，SiC MOSFET所顯示的較高的能隙和較低的電子遷移率會影響溝道電阻：即，SiC MOSFET的溝道電阻高于Si MOSFET，因此輸入電壓較高。通常需要适當地飽和SiC MOSFET。

另一方面，較高的能隙意味着SiC MOSFET的洩漏電流随溫度變化較小。SiC MOSFET的工作溫度也高得多，并受與封裝有關的可靠性考慮的限制。高壓MOSFET表現出的導通電阻主要是由于其厚度和漂移層的電阻率（圖1）。

1. SiC晶體管的橫截面，顯示其厚度和漂移層的電阻率如何影響導通電阻。

SiC MOSFET的擊穿場比矽高10倍。因此，與SiC MOSFET相比，由于SiC MOSFET的R DSon極低，因此在擊穿電壓相等的情況下，漂移層需要較低的電阻率和厚度。圖2顯示了WBG和基于Si的晶體管的單位面積導通電阻的理論極限。

2.該圖顯示了WBG和基于Si的晶體管的單位面積導通電阻的理論極限。

盡管當前可用的基于Si的晶體管已接近其在*面積極限上的R ，但生産SiC器件的技術仍處于學習曲線的早期階段。因此，我們可以期望在後代看到更高的性能。

值得注意的是，對于給定的導通電阻和擊穿電壓，SiC MOSFET所需的管芯面積比常規矽MOSFET顯着更少。因此，它将具有較小的電容和較低的栅極電荷，這轉化為較低的開關損耗和較高的效率。

較高的導熱率反映為較低的熱阻。SiC MOSFET的面積相等時，其熱阻要低得多，從而可以降低工作結溫。

環境中的SiC晶體管

盡管先前描述了所有優點，但以前SiC晶體管的高成本使其隻能用于高端工業市場（例如，石油鑽探電源，軍事電源系統等）的專用應用中。影響其成本的主要因素歸因于諸如SiC襯底的成本較高和可用性較低，SiC制造工藝的成本較高以及生産率較低（主要歸因于襯底的缺陷密度較高）等因素。

最近，基闆質量的進步已經導緻SiC器件的良率和可靠性的顯着提高。襯底的這種可用性以及更高的可用性極大地提高了這些晶體管的效率和制造成本，從而促進了它們在諸如車載充電器和牽引逆變器之類的電動汽車系統中的廣泛采用。

憑借SiC晶體管可實現更高效率和更高的開關頻率，從而減小了磁性元件的尺寸，WBG材料推動了SiC在工業市場上許多功率轉換領域的采用，這是汽車應用所獲得的收益。

但是SiC并非無處不在。IGBT在可再生能源系統，UPS和電機控制器中的成功很大程度上歸因于其較小的傳導損耗和這些應用所需的相對較低的開關頻率。可以通過改變權衡V CE（SAT） -t fall從而以不同的系列生産IGBT ，從而優化導通損耗與開關損耗之間的關系。

但是，并聯幾個IGBT會改變輸出特性的斜率。一方面，導通電壓絕不會低于由IGBT的拐點效應建立的電壓偏移（〜0.8V）。另一方面，并聯的“ n”個MOSFET導緻單個MOSFET的R DS（on）除以“ n”，從而實現了最低的導通損耗（圖3）。

3.該圖繪制了SiC和IGBT晶體管的輸出特性之間的差異。

在實際應用中，可以利用該特性而不必在所有條件下都實現最低的傳導損耗。一些電動機控制應用，例如電動汽車的逆變器或制冷的壓縮機，在其大部分壽命中都以标稱功率的一小部分（在滿負載的20％至50％之間）運行。因此，即使在這裡，采用SiC晶體管也可實現更低的損耗和更高的效率（再次參見圖3）。

圖騰柱PFC

我們已經提到，功率轉換的許多領域中的能量損失可能會引起嚴重的經濟和環境問題。因此，在由低頻輸入電橋構成的整流級和随後的DC-DC轉換器之間的高效功率因數校正（PFC）級可以幫助減少總損耗。

在許多情況下，要達到所需的效率，就需要使電源的三個階段中的每個階段的損耗最小化。無橋拓撲可以幫助消除輸入級的損耗，因此有助于達到目标效率水平。

PFC圖騰柱無橋拓撲在文獻中是衆所周知的，盡管由于MOSFET的本征二極管的高恢複而造成的損耗基本上将其使用限制在不連續導電模式下運行，因此主要用于低功耗應用。另一方面，由于本征漏極二極管的反向恢複電流可忽略不計，SiC晶體管為這種拓撲結構提供了新的視角。

圖4顯示了無橋PFC圖騰柱（左）和半無橋圖騰柱PFC拓撲（右）。半無橋拓撲結構使用兩個晶閘管來限制浪湧電流，從而取代了使用效率較低的限流電阻器和繼電器來執行該功能的典型電路。

4.這些圖顯示了無橋PFC圖騰柱（左）和半無橋圖騰柱PFC拓撲（右）。

在傳統的PFC拓撲中，存在兩個橋式二極管壓降，而在升壓級存在一個壓降，而在圖騰柱無橋拓撲中，橋的低頻端的兩個低電阻MOSFET消除了二極管壓降，并改善了效率。此外，圖騰柱無橋PFC将傳導路徑中的功率損耗降至最低。

如圖4所示，圖騰柱拓撲結構包括兩個工作在高開關頻率（通常在65至150 kHz之間）的SiC MOSFET（S1，S2）和一對工作在200MHz的低電阻MOSFET（M1，M2）線路頻率（47〜63 Hz）。傳導路徑僅包括一個快速開關和一個慢速開關。

低頻MOSFET可以由兩個晶閘管代替，從而在啟動時控制浪湧電流，替代早期設計中使用的繼電器和浪湧電阻器方面提供了有用的優勢。與傳統的NTC / PTC浪湧電流限制相比，該解決方案在可靠性方面具有有趣的優勢，同時減少了待機損耗。

在高頻部分，與矽MOSFET相比，SiC MOSFET的反向恢複電荷非常小，這也使得圖騰柱無橋PFC可以用于大功率應用。通過實現非常高的效率和高功率密度，它可以滿足UPS和電動機控制應用的需求。

表2顯示了使用兩個晶閘管和兩個SiC MOSFET的PFC半無橋拓撲的計算效率。對于此示例，我們将使用TN5050H-12WY晶閘管和STCW90N65G2V SiC MOSFET器件。SiC FET在25°C時的最大R DSon為24mΩ，并通過具有4A電流隔離的半橋雙通道栅極驅動器以正和負栅極電壓（ 20 V，-4 V）驅動灌電流/灌電流能力（STGAP2D）。表2是針對不同的輸入電壓和功率水平計算得出的，假設直流總線電壓為400 V dc，開關頻率為100 kHz。

該分析基于以下假設：

不考慮電感或電容器的損耗。

假設結溫為125°C。

每個開關的正向電流用于線路周期的一半，反向電流（同步整流器和體二極管）的另一半用于線路周期

電橋損耗：由于電橋的工作頻率是線路頻率的兩倍，因此僅考慮傳導損耗。

值得注意的是，即使在低輸入電壓下，由于采用了碳化矽碳化矽技術，也有可能實現高效率。在較高的輸入電壓和功率水平下，效率比預期的要高。

變頻器示例

圖5顯示了另一個具有半橋逆變器拓撲的用例。SiC MOSFET在UPS和可再生能源應用中也被廣泛采用，以替代矽晶體管。同樣，主要優點是可獲得更高的效率，更高的功率密度和更高的工作溫度。

5.該示意圖說明了用于交流電壓生成的半橋逆變器拓撲。

尤其是，SiC MOSFET可以在更高的頻率下開關，從而可以使用更小尺寸的無源元件來生産更緊湊的産品并降低解決方案成本。對于逆變器應用而言，這是一個很大的優勢，在逆變器應用中，在輸出級上使用LC或LCL濾波器來過濾由開關級産生的電壓的諧波。如果該濾波器必須過濾低開關頻率，則其尺寸和成本可能會很大。

該拓撲結構使用兩個SiC MOSFET和兩個電容器來分流直流總線電壓（再次見圖5）。輸出LC濾波器連接在總線電容器的中點和開關橋臂的中點之間。這兩個開關通常由正弦脈沖寬度調制（SPWM）控制。盡管SiC MOSFET具有快速開關功能，但開關頻率應保持在150 kHz以下以避免高開關損耗。軟開關技術可以減少開關損耗，盡管會以增加其他組件為代價，從而增加了轉換器的成本和尺寸。

圖6中顯示了這種實現方式的示例，其中具有一個2 kW半橋逆變器拓撲，該拓撲從400 V直流總線工作，并産生120 V交流有效值輸出電壓。SiC MOSFET是采用高電壓半橋栅極驅動器驅動的HiP247封裝中的兩個STGW90N65G2V，能夠提供高達4 A的源極/吸收電流。選定的栅極驅動器L6491D向兩個SiC FET的栅極提供 18 V / 0 V的驅動電壓。該濾波器由一個250µH的電感器和一個470nF的塑料薄膜電容器組成。

6.顯示的是意法半導體公司的2kW SiC FET半橋逆變器評估闆。

我們在35、70和140 kHz下測試了逆變器，并在表3中總結了效率結果，包括輸出濾波級中的損耗以及電源和電纜損耗。SiC MOSFET損耗的計算是在逆變器工作于2 kW且負載功率因數為0.85的前提下進行的。

在表4中，總結了三種不同開關頻率下MOSFET損耗的細分。可以觀察到，在損耗和潛在減小磁性組件尺寸方面，最佳的折衷方案是70 kHz開關頻率。

還要注意的另一件有趣的事是，可以通過使用 20 V / −4 V的正和負栅極驅動電壓進一步優化效率。在這種情況下，效率結果顯示15％至100之間平均提高0.2％輸出負載的百分比。

圖7顯示了此用例示例中考慮的兩種不同驅動方案的殼體溫度。逆變器在室溫下工作，額定負載（PF = 0.85），開關頻率為70 kHz。将兩個SiC器件安裝在具有自然對流的熱阻為1.6C / W的散熱器上。

7.這些圖像描繪了使用兩個驅動電壓進行機箱溫度測量：20 V / −4 V（左）和18 V / 0 V（右）。

結論

在功率轉換的許多領域，傳統的ac-dc轉換器拓撲在所有要求高效率的情況下都存在一些局限性。本文說明了碳化矽的特性如何影響SiC晶體管的性能以及與基于Si的IGBT開關的主要相關差異。