這導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)和組件級(jí)別的設(shè)計(jì)要求更加苛刻，并終影響功率器件、無源組件、冷卻技術(shù)和PCB的整體一致性。

為了實(shí)現(xiàn)所需的增強(qiáng)系統(tǒng)性能，半導(dǎo)體器件必須應(yīng)對(duì)更高的功率密度、更高的效率和可靠性。因此，碳化硅(SiC) 近年來引起了越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗谀蜏匦院托阅芊矫鏄淞⒘诵聵?biāo)準(zhǔn)，從而改善了開關(guān)電壓和頻率、開關(guān)損耗和尺寸，并且在某些應(yīng)用中導(dǎo)致降低系統(tǒng)總成本。

與硅 (Si) 相比，SiC 的電擊穿電場幾乎高出十倍（2.8 MV/cm 與 0.3 MV/cm）。極硬基材的較高介電場強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)更薄的層結(jié)構(gòu)并降低表面電阻。與高載流子遷移率相結(jié)合，可以產(chǎn)生更短的開關(guān)時(shí)間，與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體相比，這使得開關(guān)中的能量損耗顯著減少，并且即使在相當(dāng)高的環(huán)境溫度下也幾乎保持恒定，如圖 1 所示。

圖 1：SiC 在較高溫度下表現(xiàn)出比 Si 器件更好的開關(guān)性能

開關(guān)應(yīng)用中的總功率損耗包括靜態(tài)損耗和開關(guān)損耗。開關(guān)損耗是由打開和關(guān)閉器件引起的，如果需要高開關(guān)頻率，則需要特別考慮。電力電子系統(tǒng)中的開關(guān)頻率通常由特定于應(yīng)用和系統(tǒng)的限制來定義。例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，開關(guān)頻率由交流電機(jī)所需的輸出頻率、整個(gè)系統(tǒng)的諧振性能、EMC 要求和熱管理決定。

關(guān)斷速度受到允許的開關(guān)過壓以及共模效應(yīng)等 EMC 要求的限制，然而，開啟速度受到允許的峰值電流和電磁抗擾度(EMI) 的限制，兩者都為可行的開關(guān)設(shè)定了框架速度。

功率半導(dǎo)體在開關(guān)操作期間呈現(xiàn)各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)。在任何這些狀態(tài)下，能量都會(huì)耗散，使設(shè)備升溫并累積到開關(guān)的整體功率損耗。因此，必須考慮適當(dāng)?shù)臒峁芾砀拍睿员苊膺^熱并確保設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

高壓、大電流應(yīng)用中的功率器件曾經(jīng)是 IGBT。與 IGBT 不同，MOSFET 沒有通態(tài)特性的閾值電壓。 IGBT 通過將少數(shù)載流子注入漂移區(qū)來實(shí)現(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻，但在晶體管關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流。 SiC 器件由于漂移層電阻低得多，因此不需要電導(dǎo)率調(diào)制來實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，因此不會(huì)產(chǎn)生尾電流。與硅基快速恢復(fù)二極管相比，SiC SBD 在相似的閾值電壓下具有低得多的恢復(fù)損耗和噪聲發(fā)射，并且與硅 FRD 不同，這些特性在電流范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生顯著變化（圖 2）。

圖 2：與 Si 器件相比，SiC 在較高電流下總體上具有更好的開關(guān)特性

無數(shù)的可能性 - 應(yīng)用示例

更高的開關(guān)速度可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，并使 SiC 器件特別適用于許多工業(yè)應(yīng)用，例如 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、有源前端、能量回收系統(tǒng)、太陽能逆變器和 UPS。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，交流電機(jī)的絕緣材料在使用 IGBT 等高速開關(guān)時(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)，在使用 SiC 時(shí)更是如此。對(duì)于具有標(biāo)準(zhǔn)絕緣的工業(yè)電機(jī)，開關(guān)速度限制在 1 kV/μs 至 5 kV/μs 之間，以便限度地減少絕緣材料上的應(yīng)力。通過使用 SiC，可以實(shí)現(xiàn)高于 15 kV/μs 的開關(guān)速度。該值取決于逆變器輸出信號(hào)、耦合效應(yīng)、電纜長度以及電纜類型等因素。高 dv/dt 會(huì)導(dǎo)致電機(jī)絕緣損壞，從而導(dǎo)致電機(jī)過早老化。根據(jù)應(yīng)用和電機(jī)電纜的長度，需要使用 dv/dt 濾波器或正弦濾波器等輸出濾波器來防止這種情況發(fā)生（如圖 3 所示）。通過使用這種輸出濾波器，可以使用無屏蔽的電纜，從而大大降低成本。這種濾波器的另一個(gè)好處是電機(jī)繞組中的高頻電流減少，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)中的損耗、發(fā)熱和噪音。因此，整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命和可靠性得到提高。

圖 3：帶有正弦濾波器的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

SiC 的優(yōu)勢(shì)在需要在逆變器輸出上安裝正弦濾波器的工業(yè)應(yīng)用中顯而易見，例如需要功率高達(dá)兩位數(shù)千瓦且電機(jī)和逆變器之間電纜長度為 100 m 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這些應(yīng)用通常具有 50 Hz 范圍內(nèi)的電機(jī)頻率和 10 kHz 范圍內(nèi)的開關(guān)頻率，并且主要通過 IGBT 技術(shù)來解決。在這些開關(guān)頻率較高的應(yīng)用中使用 IGBT 是不可行的，因?yàn)楫?dāng)開關(guān)頻率超過這些值時(shí)，IGBT 上會(huì)產(chǎn)生高熱應(yīng)力。

考慮到該系統(tǒng)中的寄生元件，例如直流鏈路的換向部分、電機(jī)繞組和電纜，并將該系統(tǒng)設(shè)想為諧振電路，該應(yīng)用中的主要和常見挑戰(zhàn)仍然是諧振頻率通常接近低開關(guān)頻率。這意味著 IGBT 的開關(guān)頻率可能會(huì)激發(fā)諧振電路，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)高振蕩，進(jìn)而對(duì)無源元件和電機(jī)產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力。為了防止這種現(xiàn)象，電源工程師必須在系統(tǒng)的熱應(yīng)力和諧振行為之間進(jìn)行權(quán)衡。為了克服這一技術(shù)挑戰(zhàn)，工程師通常將正弦濾波器連接到逆變器的輸出，以減少這種壓力。

SiC 為該市場打開了新的大門，使工程師能夠?yàn)榇祟悜?yīng)用定義更高的開關(guān)頻率 (>16kHz)，而 IGBT 則無法做到這一點(diǎn)。使用SiC可以限度地減少熱應(yīng)力，使開關(guān)頻率遠(yuǎn)離諧振頻率，紋波電流變得更小，可以縮小輸出濾波器的尺寸，并提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

借助 ROHM 的新型全 SiC 模塊，開關(guān)損耗可降低 75%。

為了說明 Si-IGBT 技術(shù)與 ROHM 第三代 SiC 技術(shù)之間的差異，我們對(duì)逆變器進(jìn)行了仿真。

仿真參數(shù)如下：Vdc=600V，Imotor=200Arms，F(xiàn)sw.=10KHz。

圖4：IGBT、混合模塊和全SiC技術(shù)之間的比較

如圖 4 所示，通過使用 ROHM 的第三代 SiC MOSFET，可以顯著降低逆變器應(yīng)用中的開關(guān)損耗。這一出色的步驟使工程師能夠提高開關(guān)頻率，而無需像使用 IGBT 那樣處理熱應(yīng)力。這也導(dǎo)致電感器和電容器變得更小、更輕。更小、更輕的線圈意味著減少噪音等所需的組件以及更小的散熱器?？偠灾?，SiC 有助于縮小系統(tǒng)尺寸。

ROHM 的 Powers Systems 應(yīng)用小組位于杜塞爾多夫附近的總部，現(xiàn)在可以通過徹底檢查應(yīng)用和客戶需求、研究 SiC 技術(shù)在系統(tǒng)級(jí)別的優(yōu)勢(shì)以及終確定且成本效益的解決方案來為客戶提供支持。例如，在大多數(shù)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出頻率僅為 50 Hz。此類應(yīng)用通常不需要高開關(guān)頻率。因此，對(duì)于這些應(yīng)用，減少 30% 的功率損耗足以找到完美的成本/效益折衷方案。這可以通過在電路中使用結(jié)合 Si-IGBT 和 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管的混合配置而不是 Si-IGBT/Si FRD 來實(shí)現(xiàn)（圖 4），從而顯著改善熱管理。即使在高工作溫度下，SiC SBD 的反向恢復(fù)行為也幾乎完全消除，見圖 1。

圖 5：ROHM 針對(duì)高功率密度逆變器應(yīng)用的解決方案（以紅色突出顯示）

ROHM 逆變器應(yīng)用解決方案

在商用碳化硅開關(guān)的開發(fā)階段，ROHM 始終牢記不僅要提供自己的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管，還要提供有效的系統(tǒng)解決方案，（圖 5）ROHM 提供了多種方法來降低 BOM 和生產(chǎn)成本，即多種基于 Si 和 SiC 的半導(dǎo)體器件，可滿足從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和控制單元到驅(qū)動(dòng)級(jí)的各種電力電子要求的定制解決方案。肖特基二極管、超級(jí)結(jié)MOSFET、混合MOS、IGBT和FRD覆蓋的電壓范圍為300至1200V，SiC MOSFET和SBD覆蓋的電壓范圍高達(dá)1700V。

對(duì)于用于輔助電源的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，在 TO268 封裝中使用新型 1700V SiC MOS (SCT2H12NY) 可顯著改善 Rdson（Si-MOS 為 1.15 ?，而不是 9?），并且與 Si-MOS 相比，相同封裝中的電流能力更高。憑借其極低的輸入電容 (Ciss)，開關(guān)頻率可高于 100kHz，從而顯著減小磁性元件的體積和 PCB 上的空間。通過使用 TO268 封裝，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組裝，這意味著生產(chǎn)成本的顯著降低，并終降低總成本。為了獲得該設(shè)備的性能，ROHM 開發(fā)了一種特殊驅(qū)動(dòng)器 (BD768xFJ-LB)，該驅(qū)動(dòng)器帶有 SOP-J8S 封裝中的專用控制器。

當(dāng)檢查用于直流電壓轉(zhuǎn)換的無光耦合器隔離反激式轉(zhuǎn)換器 (BD7F100HFN-LB) 的示例時(shí)，更多優(yōu)勢(shì)變得顯而易見：市場上有兩種傳統(tǒng)解決方案。一種解決方案是在初級(jí)側(cè)使用第三繞組。缺點(diǎn)是導(dǎo)致變壓器增大，功耗增加，且輸出電壓控制不準(zhǔn)確。另一種解決方案是使用附加光耦合器從次級(jí)側(cè)獲取反饋信號(hào)。這里的缺點(diǎn)是，這個(gè)概念需要分壓器，增加了功耗，并且由于初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的耦合電容，EMC 性能至關(guān)重要，這使得需要額外的濾波器來化 EMC 噪聲。

與這些傳統(tǒng)解決方案相比，新解決方案（BD7F100HFNLB）不需要次級(jí)側(cè)的信號(hào)反饋，這意味著不需要光耦合器或具有第三繞組的變壓器。該模塊包含一個(gè)電流高達(dá) 1.25A 的 60V MOS，并以 400kHz 的恒定開關(guān)頻率運(yùn)行。為了確?？煽窟\(yùn)行，反激式轉(zhuǎn)換器具有低輸入電壓、過流、輸出短路和過熱保護(hù)。借助這種集成解決方案，不僅設(shè)計(jì)變得更小，而且響應(yīng)時(shí)間也更快。

此外，正如 ROHM 所建議的，將隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器與功率級(jí)組件選擇和設(shè)計(jì)密切相關(guān)，鞏固了系統(tǒng)解決方案的這種方法。事實(shí)上，驅(qū)動(dòng)碳化硅開關(guān)需要比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器更高的性能，這在許多領(lǐng)域都是如此。

要記住的個(gè)關(guān)鍵特性是抗共模瞬態(tài) (CMTI)。如前所述，SiC 的開關(guān)速度可以高于 15 kV/μs，甚至可以遠(yuǎn)高于 50 kV/μs。

圖 6：超出 100kV/μs 限制的共模瞬態(tài)抗擾度性能測試

通常，正如所有 ROHM 隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)（見圖 6），100 kV/μs 是安全系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)保證的安全和抗擾度。

仍然與安全支持更高的頻率相關(guān)，傳播延遲，特別是單通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的匹配至關(guān)重要。因此，傳播延遲和器件間匹配的一般經(jīng)驗(yàn)法則是分別保持在 100ns 和 50ns 以下。對(duì)于后者，一些應(yīng)用甚至在不久的將來往往需要 20 納秒左右。這種在整個(gè)溫度范圍內(nèi)嚴(yán)格的時(shí)序可靠性是通過無芯變壓器隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這與傳統(tǒng) IGBT 或 MOSFET 開關(guān)的傳統(tǒng)使用的光耦合器不同（圖 7）。

圖 7：傳播延遲性能和再現(xiàn)性的基準(zhǔn)

由于柵極電容器需要更頻繁地充電，因此擁有足夠的柵極電流能力可能會(huì)突破您需要添加外部推挽緩沖器的限制，從而節(jié)省數(shù)十美分以及一些傳播延遲。 3 Amp 柵極電流驅(qū)動(dòng)已經(jīng)明顯高于大多數(shù)傳統(tǒng)解決方案，特別是基于光耦合器的解決方案。