东芝SiC MOSFET为您开启电源新大门

要说半导体圈子现在啥最热，非第三代半导体莫属，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体技术将成为未来半导体发展的新热点，而这些材料为基材的半导体器件主要应用于和功率及能源相关的技术领域，“碳中和”目标的实现更是离不开这些技术的广泛普及。

功率半导体具有将直流电转换成交流电的逆变器功能，将交流电转换成直流电的转换器功能，还具有改变交流电频率的变频器功能。相比于传统的硅（Si）MOSFET和IGBT产品，基于全新碳化硅（SiC）材料的功率MOSFET具有耐高压，高速开关，低导通电阻性能。除减少产品尺寸外，该类产品可极大降低功率损耗，从而大幅提升系统的能源效率。SiC MOSFET适用于大功率且高效的各类应用，包括工业电源、太阳能逆变器和UPS等。

SiC MOSFET的特性

由于碳化硅（SiC）的介电击穿强度大约是硅（Si）的10倍，因此SiC功率器件可以提供高耐压和低压降。与相同耐压条件下的Si相比，SiC器件中的单位面积导通电阻更低。双极IGBT器件，在Si器件中通常用作1000V或更高的高压晶体管。IGBT双极晶体管与两种载流子、电子和空穴共同作用，通过将少数载流子和空穴注入漂移层中，从而降低漂移层的电阻。但是，双极晶体管的缺点是由于少数载流子的积累而在关断时产生的尾电流，这会增加关断损耗。
另一方面，由于SiC MOSFET是单极器件，即便在高压产品中，也只能通过电子工作，因此不会产生尾电流；同时，与Si IGBT相比，其关断损耗也较低。因此，SiC MOSFET能够在高频范围内运行，此外，节省无源元件也有助于设计小型化。我们以东芝半导体的TW070J120B为例，与传统的硅Si IGBT（低栅极输入电荷等）相比，TW070J120B 1200V SiC MOSFET可提供更高的开关速度。它可提供低导通电阻和高栅极电压阀值（Vth），可预防故障。较宽的栅极-源极电压（VGSS），支持更简单的栅极驱动设计。

图1  SiC MOSFET与传统的硅Si IGBT的比较

使用SiC MOSFET的好处

随着工业领域里商品化和标准化进展，越来越多的案例将基于器件选择和最优电路解决方案的高度通用参考设计用作有效的开发设计方法。我们以两个参考设计方案为例，让大家直观感受使用SiC MOSFET的好处。

3相AC 400V输入PFC转换器

随着电动汽车的日益普及，对于高效、紧凑型的电力转换系统的需求不断提高。基于东芝TW070J120B的3相400V交流输入功率因数校正（PFC）电路的参考设计展示了如何使用SiC MOSFET提高电源效率。该设计实现了97％的功率转换效率， 0.99或更高的功率因数。这是诸如电动汽车（EV）充电站等大功率转换器的PFC（栅极驱动电路、传感器电路、输出功率开关）的参考设计。该参考设计为功率转换器PFC提供了一个很好的起点。它可用作原型设计和开发应用程序的基础，有助于发挥全部潜能。

5KW隔离式双向DC-DC转换器

基于东芝TW070J120B的5KW隔离式双向DC-DC转换器参考设计展示如何使用SiC MOSFET提高电源设计效率。该设计采用双有源桥（DAB）法，是此类大功率转换器的最受欢迎拓扑之一。DAB拓扑的两侧均有全桥，以便通过调节左右侧桥电路之间的相位差来控制功率方向和大小。这种高度通用的参考设计是开发诸如电动汽车充电站和太阳能发电机逆变器等大功率转换应用及原型设计的起点。

图2 东芝TW070J120B的V_GSS，V_th与其他公司产品的比较

从两个参考设计中我们可以发现，东芝TW070J120B的独特优势带来了系统性能的大幅提升。TW070J120B采用第2代内置碳化硅SBD芯片设计，具有高电压、低输入电容、低总栅电荷、低导通电阻、低二极管正向电压、高栅阈值电压等特性。TW070J120B主要有三个特点：VGSS额定值做到更宽的-10V~25V，便于应用在更多的设计中；Vth更高从而避免系统的误动作，其典型是5V而标称范围是4.2~5.8V；内置的肖特基二极管降低了VF，有助于降低导通损耗，部分数据对比参见图2。