SiC MOSFET和Si MOSFET寄生电容在高频电源中的损耗对比

作者：时间：2022-11-24来源：富昌电子收藏

富昌电子（Future Electronics）一直致力于以专业的技术服务，为客户打造个性化的解决方案，并缩短产品设计周期。在第三代半导体的实际应用领域，富昌电子结合自身的技术积累和项目经验，落笔于SiC相关设计的系列文章。希望以此给到大家一定的设计参考，并期待与您进一步的交流。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202211/440789.htm

前两篇文章我们分别探讨了SiC MOSFET的驱动电压，以及SiC器件驱动设计中的寄生导通问题。本文作为系列文章的第三篇，会从SiC MOS寄生电容损耗与传统Si MOS作比较，给出分析和计算过程，供设计工程师在选择功率开关器件时参考！

电力电子行业功率器件的不断发展，第三代半导体（SiC，GaN）代替硅半导体已经是大势所趋。

由于Si MOSFET其输入阻抗高，随着反向耐压的提高，通态电阻也急剧上升，从而限制了在高压大电流场合的应用。为了进一步提高开关电源的效率，迫切需要一种能承受足够高耐压和极快开关速度，且具有很低导通电阻和寄生电容的功率半导体器件。

SiC MOSFET有极其低的导通电阻RDS（ON），导致了极其优越的正向压降和导通损耗, 并且具有相当低的栅极电荷和非常低的漏电流，能适合超快的开关速度，更适合高电压大电流高功率密度的应用环境。

我们都知道开关电源的频率越高，每秒开关管改变状态的次数就越多，开关损耗和与开关频率成正比。

富昌电子在长期的电源电路研究中发现：开关电源中所有与开关频率有关的损耗，最显著的往往是开关管自身产生的损耗。

本文从MOSFET的寄生电容的角度，结合BOOST PFC电路对Si MOSFET和SiC MOSFET展开讨论。

对于功率MOSFET寄生电容,在开关转换的阶段，MOSFET栅极表现为一个简单的输入电容。通过驱动电阻充电或放电。实际上，栅极对漏极和原极之间发生的事情“漠不关心”。功率MOSFET可等效为下图：

从驱动信号角度去观察栅极，有效输入充电电容Cg是Cgs与Cgd并联：

因此，栅极电容充放电循环的时间常数为：

从这个公式来看，似乎暗示着MOSFET导通和关断时的驱动电阻是一样，实际上两者有比较大的差别，那是因为，我们希望导通时的速率稍慢，而关断时的速率稍快的原因。

MOSFET的寄生电容在交流系统中的表示方法为：有效输入电容Ciss，输出电容Coss，反向传输电容Crss. 它们都与MOSFET寄生电容有关：

通常也会写成：

为了在同条件下比较Si MOSFET 和 SiC MOSFET的寄生结电容对高频电源效率的影响。我们用全电压输入，输出500w，工作频率75kHz的PFC电路来做比较，选择onsemi, SI MOSFET FQA6N90C 和 SiC MOSFET NTHL060N090SC1来完成该对比。

富昌电子在研究过程中了解到，输出功率达到500W，Si MOSFET 需要两个MOS 并联才能满足设计要求，本文中我们暂且忽略这个差别，先从单个的SI MOSFET和SiC MOSFET来做比较。

静态寄生参数对比：

FQA6N90C (SI MOSFET)

NTHL060N090SC1（SiC MOSFET）：

在实际MOSFET 工作过程中的电压和电流波形如下：

MOSFET的导通过程中的驱动损耗在 t1+ t2+ t3 +t4时间内产生，而交叉时间仅为：t2+ t3，关断过程中的驱动损耗在 t6+ t7+ t8 +t9时间内产生，而交叉时间仅为：t7+ t8 。

假设MOSFET门极的驱动电阻为10欧姆，关断电阻为5欧姆，可得FQA6N90C时间常数Tg：

导通过程T2的周期时间为：

导通过程T3的周期时间为：

因此导通过程中的交叉时间为：

导通过程的交叉损耗为:

同理关断过程交叉损耗为：

总的交叉损耗为:

寄生电容C_ds，因为它不和栅极相连，因此不影响到MOSFET导通过程中的V-I交叉损耗。但是，该电容在MOSFET关断时充电，在MOSFET导通时把储能全部倾泻到MOSFET中。因此在计算MOSFET的损耗时，该电容不能忽略，特别在离线式的AC-DC的电源中，该寄生电容严重影响到电源的效率。在低压输入的电源中，该电容对效率的影响表现的不是很明显。