UnitedSiC 第四代 750V SiC FET 可支持更高效的功率设计

UnitedSiC 推出的首批 UJ4C 产品（见 表 1 ）的额定电压 VDS(MAX) 为 750V，而不是 650V，以便既能处理使用 500V 直流总线的应用，又能为传统的 300/400V 总线应用服务。这些器件的栅极额定值仍为 +/-20V，内置静电保护，能够使用以 5VVTH 支持的简单单极栅极器件，这些都是 SiCFET 共源共栅结构的特性。在高频应用中，可以使用低至 0 至 10V 的栅极驱动电压，且对导通损耗的影响极小。此技术的超低导通电阻（SiCJFET0.7mohm-cm2）使它在给定封装尺寸中的电阻差不多是 650VSiCMOSFET 的一半。在给定电阻下，芯片体积会缩小，从而使电容显著降低。而这又使得开关损耗降低。TO247-3L 和 4L 封装采用银烧结技术来增强结的热阻且芯片变薄，以降低 JFET 晶粒较小带来的影响，并支持实现出色的结壳热阻 RTHJC。这些器件仍有能力处理雪崩事件，并且尤其擅长处理电流达到额定值 2 倍的能量较低的大电流雪崩事件。SiCFET 的另一特性是出色的第三象限行为，其 VFSD 值低（<1.5V）且与温度无关的 QRR 也低，而受 COSS 降低影响，第四代器件的 QRR 比第三代器件低得多。

表 2 中比较了处于前沿的 SiCMOSFET、超结器件和第四代 SiCFET 的技术参数。RDSA 参数行表明了在 25℃ 和 125℃ 下有效芯片面积的电阻（mohm-cm2）。这是用于构建共源共栅 SiCFET 的 JFET 的电阻，而 LVMOS 带来的额外电阻可能会让此数字提高 10%。采用 0 至 12V 栅极驱动的结中的第四代 SiCFET 的 5VVTH 非常独特，可实现栅极驱动损耗的最佳可用 Qg*V 性能表征。可以在 500kHz-1MHz 下运行这些器件，且不会让标准栅极驱动过热。共源共栅结构允许所有宽带隙选项实现极低的可用 VFSD 体二极管压降，因而可以在异步整流模式中使用这些器件。由于反向恢复性能 QRR 也很出色，第四代 SiCFET 的整体性能表征 VF*QRR 无可比拟。这能实现出色的硬开关性能，还能阻止当在有任何负载的情况下发生硬开关时零电压开关电路中出现器件故障。基于共源共栅净电阻的性能表征 RDS*EOSS 和 RDS*COSS，TR 可评估技术用于软硬开关应用的基本能力，且从表中可以看出，第四代 SiCFET 的这两个性能表征均为同类最佳。这些器件能更简单地实现更高频率的软开关电路，如 LLC、CLLC、DAB 和 PSFB。

图 1 表明了 TO247-4L 封装中的 60mohm 和 18mohm，750V 器件的半桥开关波形，分别在 400V，20A 和 400V，50A 下测量得出。所示波形比较了采用大 Rg 来控制开关与使用跨器件的 RC 缓冲电路并在栅极处采用小 Rg 这两种情况。两种电路均在直流总线到接地之间采用 RC 缓冲电路，简称总线缓冲电路[2]。

图 1 的上面一行显示的是 60mohm，750V SiCFET UJ4C075018K4S 的开关行为。仅使用 25ohm 的 Rg（171uJ）与同时使用 1ohm 的小 Rg 和 10ohm，95pF 的漏源 RC 缓冲电路（142uJ）这两种情况下，打开损耗的区别很小。在 Rg=25ohm 时，打开 di/dt 明显较慢，但是峰值恢复电流区别不大。打开期间的最大 dV/dt 类似，因为这是由 SiCJFET 决定的，而应用于 SiCFET 中的 LVMOSFET 的 Rg 不会改变该值。在 Rg 为 25ohm 时打开延迟较高。

使用 20ohmRgoff（37uJ）与同时使用 1ohmRgoff 和 10ohm，95pF 漏源 RC 缓冲电路（17uJ）这两种情况下的关闭行为表明，使用缓冲电路时，损耗较低，同时保留关闭延迟短、VDS 过冲略低和振铃减小的特性。所示损耗包括缓冲电路损耗，该损耗在数据表中单独列出，而且非常小[2、3]。然而，在电流较小（如 20A）时，许多应用中都不需要缓冲电路，因为采用简单 Rg 控制所增加的损耗不会过大。不过，仍建议采用总线缓冲电路，因为它能提高振铃性能且损耗影响极低。

在 50A 电流下，使用缓冲电路的波形要远胜另一种情况的波形，且能让总开关损耗（EON+EOFF）降低近 36%。使用小 Rg 时，也能降低延迟时间。 图 1 的下方曲线对比了在两种情况下 UJ4C075018K4S（18mohm，750V）在 50A，400V 下的开关数据：第一种使用 25ohmRgon/50ohmRgoff，第二种使用 1ohm 的 Rg 并跨每个器件的漏源连接 10ohm，300pF 的 RC 缓冲电路。1ohm 的小 Rg 只能在有缓冲电路可以管理过冲与振铃时使用。这种布局允许在更快的 di/dt 下进行开关，且打开延迟时间缩短。可以看到，现在的打开损耗（包括缓冲电路损耗）为 418uJ，而在更快的运行 di/dt 的驱动下则为 483uJ。但是，请注意，这个更快的 di/dt 没有让峰值恢复电流有任何显著提高。

类似地， 图 1 右下角的 50A，400V 关闭波形表明，使用 1ohmRg 和 RC 缓冲电路实现了快得多的开关速度并减少了延迟时间，而没有过度的 VDS 过冲或开关节点振铃。关闭延迟时间也非常短。鉴于使用 1ohmRg 和 RC 缓冲电路时的 EOFF 仅为 55uJ，而使用 50ohm 电阻器将电压过冲降低类似水平至时 EOFF 为 255uJ，很明显，在超过 20A 的较大电流应用中，使用缓冲电路非常有优势。

可以依据应用、整体电路电感和关闭时的峰值电流量准确选择缓冲电路，而如果电流低于 25A，可能不需要选择缓冲电路。缓冲电路电阻器的损耗最好通过整合打开和关闭时的 V2/R 损耗来直接测量。这些值在产品数据表[2]中已经列明，对于采用 10ohm，95pF 缓冲电路的 UJ4C075060K4S 而言，在 20A，400V 下损耗为 1.7uJ，而对于采用 10ohm，300pF 缓冲电路的 UJ4C075018K4S 而言，在 50A，400V 下损耗为 9.5uJ。

虽然通过相应更改RG值[4]，-5V 至 15/18/20V 和其他常用栅极电压轨均可使用，但是建议该器件简单地使用 0 至 12V 或 15V 栅极驱动。当开关频率超过 300kHz 时，通常采用 0 至 10V 电压。

图 2 比较了在 TO247-4L 与 TO247-3L 封装中的 18mohm，750V 器件与 60mohm，750V 器件的半桥开关波形，它们的栅极驱动电压为 0-15V 且仅使用总线缓冲电路。上面一行显示的是 60mohm，750V 器件开关波形，两个器件的 Rgon=1ohm，Rgoff=20ohm。实线为 3L 封装波形，虚线为 TO247-4L 封装波形。当然，预计 TO247-4L 封装的打开 di/dt 较快，因为绕过了共源电感，因而虽然电流峰值较高，但是造成的 EON 较低。采用 TO247-4L 封装时，栅极 VGS 振铃得到大幅改善。虽然在此图中，3L 封装的峰值 VDS 过冲较低，EOFF 较高，但是在关闭时，TO247-4L 封装的 VGS 振铃较好。

图 2 的下半部分着眼于半桥电路中使用两种封装类型的 18mohm，750V 器件在 50A，400V 下的开关行为，每个均采用 10ohm，300pF 缓冲电路，Rg=1ohm 且栅极驱动电压为 0-15V。现在，在 3L 和 4L 两种封装类型中，波形和开关损耗存在较大的差异。3L 器件的打开损耗（1.67 倍）和关闭损耗（4 倍）明显较高，VDS 过冲和 dV/dts 类似，而 VGS 振铃较大，尤其是在关闭时。很明显，对于在较大电流下采用 TO247 封装的情况而言，将 4L 封装与器件 RC 缓冲电路结合可实现最佳性能和能妥善管理的开关波形。

现在，我们可以看看第四代 SiCFET 的这些特性如何影响一系列器件应用。 图 3a 显示的是在 3.6KW 图腾柱 PFC 电路中使用 60mohm，750V 器件的示例。图中的半导体效率是使用测量得到的器件导通损耗和开关损耗计算得出的，计入了温度上升的影响，但未计入控制器、电感或其他系统损耗。导通和开关损耗低、二极管恢复性能出色和栅极驱动简单这三个特性带来了此处可以看到的高效率。这一效率等于或超过了成本更高的 SiCMOSFET 选项所能实现的效率，后者需要的栅极驱动也更为复杂。3L 和 4L 版本的 TO247 封装均可受到支持。 图 3b 显示的也是这些数据，比较了此效率与用硅整流二极管而非 SiCFET 替换的图腾柱 PFC 慢支路的效率。硅二极管选项较为实惠，节省了两个晶体管和栅极驱动，但是在高压下效率会下降 0.2%。对于 1.5KW 应用，一个 60mohmFET 就已足够，而对于 3 至 3.6KW 应用，最好使用一个 18mohm 元件或两个 60mohm 元件并联。采用一个 18mohm 器件时，需要的栅极驱动功率较低，占用的空间较少。

表 3 显示的是在 3600WLLC 应用中采用 60mohm，750V 和 18mohm，750VSiCFET 时对半导体损耗的类似估值。在估算每个器件在最大负载下的净损耗时，计算了导通损耗、栅极驱动损耗和二极管损耗。使用 2 个并联的 60mohmSiCFET 或一个 18mohmSiCFET 时，即使频率达到 500kHz，也能将每个 FET 的损耗控制在 6.3W 以下，因而非常高效且散热需要极小。虽然损耗主要为导通损耗，但是表中也列出了关闭损耗、栅极驱动损耗和二极管导通损耗的大小，可以看出，由于第四代 SiCFET 的特性，这几个损耗都很小。

采用 UnitedSiCFET 是在此类软开关应用中提高效率的简单途径，而且无需对栅极驱动进行大幅更改。在此情况下，当不能执行零电压开关工作时，器件能进行硬开关而不会导致二极管恢复性能差，从而确保不会发生故障。在需要时，额外的电压裕度能延长现场使用寿命。

在本文中，我们回顾了 UnitedSiC 的全新第四代 UJ4C750VSiCFET 的参数，并与 600/650V 等级的 SiCMOSFET 和超结 FET 进行了对比。之后，我们深入钻研了这些器件在 TO247-4L 和 TO247-3L 这两种封装中的开关特性，并证明了 TO247-4L 封装的多项优势，还证明了在电流超过 25A 时，RC 缓冲电路在管理开关波形和尽量降低损耗方面的价值。我们运用已知器件参数得出图腾柱 PFC 电路和 LLC 电路示例中的损耗，表明了这些器件如何才能在简单的栅极驱动实施下实现 80PlusTitanium 效率。这些器件在软硬开关应用中的优势、较为简单的栅极驱动和额外的 100V 余裕使其成为快速扩张的适合 600-750V 应用的 SiC 晶体管领域中一颗引人注目的新星，这些应用包括电动车充电器、电动车直流转换器、数据中心、通信电源、可再生能源和能量存储领域的应用。有关其他详情，请参见 UnitedSiC 网站。