碳化硅（SiC）本身以及由此產(chǎn)生的MOSFET等半導體的生產(chǎn)比硅的要求要高得多。然而，盡管存在最初的技術障礙，SiCMOSFET已經(jīng)在市場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。典型應用包括用于車載開關電源、光伏系統(tǒng)和電機驅動器。特別是在對功率半導體和性能有不斷提高要求及巨大需求的電動汽車中。
作為 SiC MOSFET 技術的市場領導者之一，Rohm 推出了新一代器件，以滿足不斷增長的要求。但這還不是全部：該公司還擴大了生產(chǎn)設施。隨著位于日本筑后（Chikugo）阿波羅工廠的新半導體工廠以及生產(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。通過這些前瞻性的步驟，公司針對未來需求做好準備，以便能夠為技術進步提供堅實的基礎。
新一代SiC MOSFET
近年來，SiC MOSFET技術不斷發(fā)展，早年出現(xiàn)的障礙早已被克服。2015年，Rohm成為第一家在市場上推出采用溝槽技術SiC MOSFET 的公司，此后，其進一步發(fā)展出第四代SiC MOSFET。
與以前的技術相比，這顯示出明顯的優(yōu)勢：增加的電流密度導致芯片更小，因為導通電阻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，使其開關速度更快，損耗更小。
表一：第四代750V級RohmSiC MOSFET。（（*）規(guī)劃中符合汽車標準）
采用該技術規(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，再到用于電動汽車的現(xiàn)代緊湊型模塊。表1和表2概述了新開發(fā)的產(chǎn)品。
表二：第四代1200V級RohmSiC MOSFET。（（*）規(guī)劃中符合汽車標準）
該列表中的器件涵蓋盡可能多的應用- 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，帶有開爾文源連接引腳（TO-247-4L，TO-263-7L）的封裝比帶有三個連接引腳的TO-247N封裝更具優(yōu)勢，因為MOSFET通過附加輔助連接引腳可進行最優(yōu)控制，從而降低開關損耗。TO-263-7L 封裝是自動化安裝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，而無需采取進一步的措施，例如灌封。
可靠短路檢測
降低導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)生短路時元件的負荷會更重，除非在芯片級采取對策，否則較難處理。在第四代產(chǎn)品中，半導體結構經(jīng)過了修改，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動器IC提供了足夠的時間來檢測短路并安全關斷。
圖 1：SCT4036KR型SiC MOSFET可在短路時使用柵極驅動器BM6112FV-C的集成退飽和功能在不到2μs的時間內(nèi)安全關斷。（圖片來源：Rohm）
圖1顯示了SCT4036KR型SiC MOSFET在短路過程中的電流和電壓曲線。在這種情況下，使用了柵極驅動器芯片BM6112FV-C，它通過漏源電壓（經(jīng)典的退飽和法）提供短路檢測。在這種情況下，檢測到短路的時間是860 ns?？傮w而言，短路持續(xù)約1.6 μs，直到MOSFET完全關斷，而不會對元件造成損壞。
新器件評估套件
在充分利用新技術方面，新技術也帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，羅姆（Rohm）提供了合適的評估套件（EVK）。由于半橋是電力電子中最常見的拓撲結構之一，因此已經(jīng)開發(fā)了兩種EVK評估套件。其包括 MOSFET、柵極控制、母線電容器和連接器。
一種EVK設計用于采用通孔封裝的 MOSFET（TO-247-4L 和TO-247N 的型號），另一種用于 SMT 封裝（圖2）。布局和元件選擇適合作為進一步設計的參考。對于快速開關元件，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，電路的功率會降低。
EVK提供了將開關用作降壓和升壓轉換器或單相逆變器的可能性。當然，也可以僅在脈沖模式下工作，以便評估器件在特定條件下的動態(tài)行為。柵極控制是通過一個簡單的ICBM61x41RFV-C實現(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）的每個開關使用單獨的反向轉換器，以及基于BU4S584G2和BD62120AEFJ（SMD-EVK）的自振蕩半橋和變壓器，帶有單獨的次級繞組。在兩個EVK中，開關的電流曲線都可以使用羅氏線圈或同軸分流電阻器進行檢測。
高效運行
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、無間隙操作）的效率。（圖片來源：Rohm）
Rohm 使用SMD開關的 EVK 作為降壓控制器來研究MOSFET的性能。本研究的目的是確定當SCT4062KW7 MOSFET在45kHz的開關頻率下工作時可以達到的效率。輸入電壓為800V，輸出電壓為400V。DC-DC轉換器在不同輸出功率下的效率曲線如圖3所示。可以看出，2.5 kW時的效率略低于99.0%。
測試了兩種版本：在第一種配置中，使用18V的柵源電壓 - 如數(shù)據(jù)手冊中所建議的那樣。此外，還對15V的電壓進行了重復測量。在曲線的基礎上，可以看出兩種工作模式幾乎沒有區(qū)別。只有測得的外殼溫度在柵源電壓為15V時略高。這意味著新一代SiC MOSFET的使用更加靈活，因為它不一定像以前那樣需要+18V控制。
總結
市場對碳化硅MOSFET的接受度越來越高，這表明這些元件是電力電子技術發(fā)展的重要組成部分。有了第四代器件，Rohm希望為這一趨勢做出貢獻。由于這些MOSFET性能的改進，現(xiàn)在可以實現(xiàn)更高的效率并實現(xiàn)更緊湊的設計。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。
為了簡化這項技術的引入，Rohm提供了各種評估套件。其中包含的設計對于想要使用這些器件設計電路的開發(fā)人員來說也是一個很好的基礎。對于開發(fā)人員來說，短路保護也不應該是問題，因為這可以通過普通的柵極驅動器IC來實現(xiàn)。
