完美的半導體(ti) 開關(guan) 總是近在咫尺，但又遠在天邊，但是人們(men) 仍在不斷努力追尋，以期在電動車等重要應用中獲得更高的功率轉換效率。本文探討了SiC FET共源共柵結構是如何提供最佳性能和一係列其他好處的。

尋找完美開關(guan)

電動車中裝滿了需要動力的電子器件，從(cong) 牽引逆變器到車載充電器和輔助電源，比比皆是。無論哪種，要實現高效，都需要使用開關(guan) 模式技術生成電壓軌，而這需要半導體(ti) 在高頻下運行。該應用的理想開關(guan) 應該在打開時電阻接近於(yu) 零，在關(guan) 閉時沒有漏電，且擊穿電壓高（圖1）。當開關(guan) 處於(yu) 兩(liang) 種狀態之間的過渡期時，不應有瞬態功耗，且任何殘餘(yu) 損耗導致的開關(guan) 溫度上升都應該非常小。經過多年發展，推出的半導體(ti) 技術比以往任何時候都靠近理想狀態，但是人們(men) 的期望也有了變化，對理想開關(guan) 的尋找仍在繼續。

圖1：理想開關(guan)

理想開關(guan) 的候選者

今天的開關(guan) 選擇多種多樣，IGBT因低導電損耗而受到極大功率應用的青睞，MOSFET則憑借能盡量減小相關(guan) 組件（尤其是磁性元件）體(ti) 積和成本的快速開關(guan) 能力占領了大部分中低功率應用。傳(chuan) 統MOSFET采用矽技術，但是現在，碳化矽（SiC）也因其特有的低動態損耗、低導電損耗和高溫下運行優(you) 勢而受到青睞。它向著難以企及的理想開關(guan) 又邁進了一步，但是還有另一個(ge) 更好的方法，那就是將SiC JFET與(yu) 低壓矽MOSFET以共源共柵結構一同封裝，從(cong) 而獲得所謂的“SiC FET”。簡言之，Si-MOSFET提供簡單的非臨(lin) 界柵極驅動，同時將常開JFET轉變成常關(guan) 共源共柵，並附帶一係列勝過矽或SiC MOSFET的優(you) 勢。圖2顯示的是SiC FET中的IGBT、平麵SiC MOSFET和JFET的基本構造，均為(wei) 1200V等級。

圖2：IGBT、SiC MOSFET和SiC JFET構造

從(cong) 圖2中可以清楚地看出，在MOSFET或JFET中，SiC的較高臨(lin) 界擊穿電壓大幅減薄了漂移層，使其約為(wei) IGBT中矽漂移層厚度的十分之一，相應電阻也會(hui) 較低。矽IGBT通過在較厚的漂移層中注入大量載流子來降低電阻，而這會(hui) 導致100倍的存儲(chu) 電荷，在每個(ge) 開關(guan) 周期，這些電荷都必須出入漂移層。這會(hui) 帶來相對較高的開關(guan) 損耗和不低的柵極驅動功率要求。SiC MOSFET和JFET是單極器件，電荷僅(jin) 進出器件電容，因而動態損耗要低得多。

現在，將SiC FET與(yu) SiC MOSFET比較。SiC FET溝道中的電子遷移率要好得多，因而在相同電阻下，晶粒可以小得多，所以它的電容較低，開關(guan) 更快，或者在相同晶粒麵積A下，導通電阻RDS(ON)較低。因此，性能表征RDS(ON).A是一個(ge) 關(guan) 鍵指標，表明了在給定性能下每個(ge) 晶圓是否可能得到更多晶粒，以及隨之而來的成本節省，或表明給定晶粒麵積下的導電損耗是否能降低。同理，性能表征RDS(ON).COSS可量化導通電阻和輸出電容之間的相互作用，該值進行了折衷以實現給定額定電壓，從(cong) 而增減開關(guan) 損耗。

在保持其他要素不變的情況下，讓每個(ge) 晶圓產(chan) 生更多晶粒同時提高開關(guan) 速度這種兩(liang) 全其美的好事也有一點不利之處，那就是散熱的麵積變小了。碳化矽的導熱係數比矽好3倍，這對散熱有利，而且碳化矽還能在更高的平均溫度和峰值溫度下運行。

為(wei) 了獲得這些優(you) 勢，最新一代SiC FET（第四代）采用晶圓減薄法降低了電阻和熱阻，並采用銀燒結晶粒粘接法獲得了比焊料好6倍的導熱係數，最終效果是提升了可靠性，因為(wei) 結溫低且距離最大絕對值有很大的裕度。

與(yu) SiC MOSFET相比，SiC FET有很多優(you) 勢，具體(ti) 優(you) 勢因應用而異，但是可以用重要性能表征和特征的雷達圖來總結（圖3）。

圖3：SiC FET在不同應用中的優(you) 勢雷達圖

圖三表明了UnitedSiC第四代SiC FET在多個(ge) 性能比較後的優(you) 勢，顯示了它無論高溫還是低溫，以及其他方麵都有不凡的性能。

實際結果證實了SiC FET的前景

UnitedSiC已經用圖騰柱PFC級設計證實了SiC FET的有效性，該設計可在連續導電模式下工作並采用“硬”開關(guan) ，這是典型的電動車車載充電器前端設計。轉換器額定功率為(wei) 3.6kW，輸入85-264V交流電，輸出390V直流電，在TO-247-4L封裝中安裝了18或60毫歐第四代SiC FET，開關(guan) 頻率為(wei) 60kHz。圖4顯示的是係統效率圖，從(cong) 圖中可以看出，在將一個(ge) 18毫歐SiCFET用於(yu) 高頻高低兩(liang) 側(ce) 開關(guan) 位置時，在230V交流電下，效率達到峰值99.37%。在最高的3.6kW輸出下，這些SiC FET一共耗散16W能量，無效能量僅(jin) 占0.44%，因而需要散出的熱量極少。

圖4：采用SiC FET的圖騰柱PFC級的能效達到99.37%

在電動車中還有一個(ge) 具備隔離功能的降頻級，可將牽引電池電壓降至12V，它通常與(yu) LLC轉換器一同實施，後者是目前實現高能效時的首選拓撲。LLC轉換器在高頻下通過共振方式開關(guan) ，以實現最高性能，而SiC FET再次成為(wei) 一個(ge) 好選擇。在3.6kW下，以500kHz頻率開關(guan) 時，一對第四代750V18毫歐MOSFET耗散的功率還不到每個(ge) 6.5W，其中包括導電損耗、開關(guan) 損耗和體(ti) 二極管損耗。

牽引逆變器是節能的重點部件，而SiC FET可以取代IGBT以切實提高能效。開關(guan) 頻率維持在低水平，通常為(wei) 8kHz，即使采用SiC器件也是如此，因為(wei) 磁性元件是發動機，它的體(ti) 積不會(hui) 隨著逆變器頻率提高而直接縮小。要實現顯著改進，可以替換一個(ge) IGBT及其並聯二極管，例如可以用六個(ge) 並聯的6毫歐SiC FET來替代，這種方法可以在200kW輸出電壓下將半導體(ti) 效率提升1.6%，使其達到99.36%，這表示功率損耗降低了三分之一以上，也就是3kW。在更高負載下，也就是車輛行駛時通常會(hui) 達到的負載下，它的表現會(hui) 更好，損耗甚至會(hui) 降至IGBT技術的五分之一到六分之一。所有這些同時還伴隨著低得多的柵極驅動功率和無“拐點”電壓的優(you) 勢，因而在輕負載下更好控製。過程中的較低損耗意味著散熱器體(ti) 積、重量和成本的縮減以及更好的單次充電行駛裏程，因而額外花費的半導體(ti) 單元成本很快就會(hui) 被抵消。

我們(men) 達到盡善盡美了嗎？

沒有一家半導體(ti) 製造商敢於(yu) 聲稱它們(men) 的開關(guan) 是完美的，但是既然功率轉換器效率已經超過99%並精確到小數點後，就表示我們(men) 正在接近完美開關(guan) 。這是SiC FET帶來的，而且您可以使用UnitedSiC網站上的SiC FET-JET計算器親(qin) 自嚐試，它可以計算各種交直流和直流拓撲的損耗。