【導讀】當您設計新電力電子產品時，您的目標任務一年比一年更艱巨。高效率是首要要求，但以更小的尺寸和更低的成本提供更高的功率是另一個必須實現的特性。SiC MOSFET 是一種能夠滿足這些目標的解決方案。以下重要技巧旨在幫助您創建基于 SiC 半導體的開關電源，其應用領域包括光伏系統、儲能系統、電動汽車 (EV) 充電站等。
為何選擇 SiC？
為了證明您選擇 SiC 作為開關模式設計的首選功率半導體是正確的，請考慮以下突出的特性。與標準或超級結 MOSFET 甚至 IGBT 相比，SiC 器件可以在更高的電壓、更高的頻率和更高的溫度下運行。其他器件的大部分功率損耗在 SiC 器件中是不存在的，因此 SiC 器件在大多數應用中的效率可以達到 90% 以上。最初，SiC 器件比其他 MOSFET 或 IGBT 更昂貴。如今，SiC 器件的價格已大幅下降，使其成為一種頗有吸引力的替代方案。
SiC與GaN比較
SiC 和 GaN 器件均屬于寬帶隙 (WBG) 類別的器件，這些器件正在穩步取代標準 Si MOSFET。它們可以在更高的頻率下工作，因此 GaN 器件在 RF 功率應用中得到更廣泛的應用。SiC 器件一般能夠承受比 GaN 器件更高的電壓、電流和功率。SiC 器件開關速度更快，效率更高，因此適合開關模式電源應用。另外，SiC MOSFET 包含一個體二極管。
性能考量
SiC 的一個重要特性是其熱導率是 Si 或 GaN 的三倍以上。基于 SiC 的產品能夠在高得多的溫度 (+175°C) 下運行，而導通損耗在整個溫度范圍內相對平穩。另一個性能因素是 RDSon 極低，大約為 15 mΩ 或更小；即使在很高的工作電壓下，它也能達到該規格水平。這使得功率損耗大大降低，從而提升了效率。
以下幾個重要技巧能夠幫助您在設計新的電力電子產品時，創建出基于SiC半導體的開關電源，以更小的尺寸和更低的成本提供更高的功率。
01 拓撲選擇
除了標準半橋和全橋電路外，還有兩種拓撲廣泛用于 SiC 器件。這兩種拓撲是雙向轉換器和 Vienna 整流器。雙向架構本質上是降壓-升壓類型的 DC-DC 轉換器，可以配置為提供兩條不同的電壓總線，并可以根據需要交換功率。這種架構非常適合具有兩條電池總線的車輛，而所有電動汽車和輕度混合動力汽車都有兩條電池總線。理想情況下，這兩條總線可以相互充電。實現雙向轉換器的 IC 目前有市售產品。
另一種拓撲是 Vienna 整流器，越來越多的設計采用這種拓撲。它是一種三相、三電平 PWM 控制的橋式整流器。其主要應用是大功率交流轉直流電源中的功率因數校正 (PFC)。
02 確定電壓和電流需求
在目前 90% 以上的應用中，SiC 器件都可以替代 IGBT。如今，很少有新設計采用 IGBT。IGBT 可以承受大約高達 1900 V 的高壓，但開關速度較慢。SiC 器件可以應對高電壓和電流水平，但開關速度要快得多。SiC 晶體管承受的電壓上限為 1800 V，因此可以很好地替代 IGBT。SiC 不僅有更高的開關頻率，從而提高性能和效率，而且還能使用更小的封裝。
03 注意柵極驅動器
相比其他 MOSFET，SiC 晶體管需要更大的柵極驅動電壓。典型 SiC 晶體管需要 15 V 到 20 V 的柵極電壓才能導通，需要 -3 V 至 -5 V 以關斷器件。不過，大多數 SiC 供應商已經通過特殊柵極驅動器 IC 解決了這一需求，因此很容易使用 SiC 器件進行設計。
04 盡可能使用模塊
模塊是一個完整的預接線 MOSFET 電路，其封裝針對尺寸和熱性能進行了優化。例如用于驅動三相電機的三相橋模塊。它連接其他架構以創建 DC-DC 轉換器或三相整流器。模塊集成了 SiC MOSFET 和 SiC 二極管，以確保導通和開關損耗較低。這種架構在電源產品中實現了高效率和優異的可靠性。
模塊包含一個溫度傳感器（如熱敏電阻），用于監測熱量水平，并提供某種類型的電路保護或溫度控制。模塊可以顯著縮短設計時間，并實現更小的封裝。新設計的理想目標是采用 90% 的模塊和 10% 的其他分立元器件。
05 找到可靠供應商
當使用 SiC 晶體管和電路等復雜器件時，擁有一個不僅可以供應產品，還能提供設計解決方案、信息和幫助的供應商會很有益。安森美(onsemi)就是這種供應商，它是半導體器件的全方位服務供應商，具備完整的內部端到端供應鏈的優勢。
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