碳化硅电源的设计注意事项

最近推出的 650 V SiC MOSFET 产品进一步拓宽了 SiC 的应用范围，可轻松取代 IGBT，分食 Si SJ 的应用份额，并在中压范围内提供氮化镓 (GaN) 的替代产品。

在用 SiC 替代 Si 器件或使用 SiC 重新设计时，工程师必须考虑 SiC 的不同特性、功能和优势，以确保成功。以下是 Wolfspeed 的电源专家提供的 SiC 设计技巧清单。

R_DS(ON) 随温度的变化

SiC 的一个关键优势是低 R_DS(ON)，在很宽的温度范围内变化仅为 1.3 倍至 1.4 倍，而在 Si 或 GaN 器件中，R_DS(ON) 可能会从 25℃ 时的额定值增加两倍至三倍，达到 120°C 至 140°C 范围内的实际结温（图 1）。因此，必须仔细查看数据表，并指定正确的 I²R 或传导损耗。

图 1：60-mΩ Si 或 GaN 器件的热度可能 >120 mΩ，
而 90-mΩ SiC 器件的热度则为 120 mΩ。

无拐点电压

IGBT 针对全额定电流下的热设计点进行了优化。在该点以下是 V_CE(sat) 指数“拐点”电压曲线（图 2）。SiC MOSFET 的 V_DS 特性是线性的，在低于全额定电流的任何点都具有较低的传导损耗。

图 2：50-A IGBT 与 50-A SiC
在模块 Tj=150°C 时的对比。在三分之一的
额定电流下，SiC 的损耗是 IGBT 的一半。

在设计电动汽车传动系统时注意这一点特别有用，因为在电动汽车传动系统中，驾驶循环大多低于全额定功率。当并联使用时，IGBT V_CE(sat) 曲线会加剧这一问题。

因此，设计人员必须仔细考虑它们的热设计点位置和任务剖面。

有效开关频率

有效开关频率 (ESF) 是指在硬开关应用中，器件在额定 I_C100 下维持 50% 的方波占空比，而不会超过器件在工作电压下规定的最大功率耗散的最大频率。或者：

ESF = P_Dmax（1 — 占空比）
                  E_T

其中：
P_Dmax 是最大功率耗散值，
占空比为 50%，以及
E_T 指在 800V、175°C 和数据表中指定的栅极电阻 (R_g) 时的总开关能量。

与 40-mΩ Si 器件相比，40-mΩ Wolfspeed SiC MOSFET 的理论 ESF 高出 10 倍。虽然这让我们见识了 SiC 的能力，但散热、磁学和成本对开关频率造成了实际限制。

虽然散热成本增加，但电感和电容的无源 BoM 成本则随着开关频率的增加而降低。对于 IGBT，最佳频率约为 18 kHz，此时散热和无源 BoM 节省曲线相交。对于 SiC MOSFET，由于传导损耗较低，成本权衡的最佳点在 60 kHz 左右（图 3）。

图 3：频率优化需考虑
散热和 BoM 成本对开关频率的
实际限制。

设计人员必须注意，最小化电感是有限度的，特别是系统与电网相连时。虽然 SiC 器件本身比 IGBT 更昂贵，但频率经过优化的设计可以在系统层面节省 20% 至 25% 的成本。

针对应用优化

MOSFET 的品质因数 (FoM) 由以下公式定义。背后的理念是，较低的 R_DS(ON) 意味着较低的传导损耗，而较低的栅极电荷 Q_g 意味着较低的开关损耗。如果它们的乘积 FoM 最小化，总损耗就会最小化。

FoM = R_DS(ON) x Q_G

对 Wolfspeed 两款功率密度最高的电源模块的输出电流和输出功率与开关频率特性的对比研究表明，设计人员必须如何仔细选择适合其应用的最佳产品（图 4）。450-A CAB450M12XM3 模块针对极低的 R_DS(ON) 进行了优化，而 400-A CAB400M12XM3 模块则针对 FoM 进行了优化。超过 15 kHz 时，400 A 提供更高的电流和更高的功率。

图 4：对于此理论示例，F_SW 为 15 kHz。
在交叉点之后，CAB400M12XM3 可以提供
比 CAB450M12XM3 更高的安培数。

对于工作频率通常在 20kHz 以下的电机驱动而言，安培数更高的模块更有效，但对于在 48-kHz 至 60-kHz 范围内开关的太阳能逆变器而言，400-A 模块是更好的选择。

V_DS 耐用性和降额

IGBT 的额定电压通常为 1.2 kV，而 V_DS 击穿电压接近 1.25 kV。Wolfspeed 的 SiC MOSFET 虽然额定电压为 1.2 kV，但击穿电压通常要高出几百伏。在航空航天应用中，设计人员必须进行降额以考虑宇宙辐射的影响，这时 SiC 的稳健性具有优势。

反向恢复

在软开关或使用非对称设计时，设计人员可能不太注意反向恢复，但反向恢复 (Q_rr) 对于对称设计（包括降压、升压和图腾极 PFC）来说非常重要。Wolfspeed 650-V SiC MOSFET 在反向恢复时间 T_rr 为 16 ns 时，Q_rr 为 11-nC，而典型的 650-V Si MOSFET 在反向恢复 T_rr 为 725 ns 时，Q_rr 为 13 μC。

开尔文源极引脚

开尔文源极引脚是尽可能靠近 MOSFET 裸片源极连接的开尔文连接，可用于缓解 MOSFET 内部接合线引起的电感。为了保持 SiC 器件的高开关频率优势，开尔文源极引脚至关重要。

开尔文源极引脚也会影响开关损耗。例如，在 30 A I_DS 时，没有开尔文引脚和 12 nH 源极电感的 TO-247-3 SiC MOSFET 的总开关损耗接近 430 μJ（图 5）。采用 TO-247-4 封装的相同产品配备开尔文源引脚后，在相同 I_DS 下的开关损耗仅为 150 μJ。转用 TO-263-7 或表面贴装的 D2PAK-7 等较小封装，可进一步降低固有源极电感和损耗。

图 5：开尔文源极引脚有助于避免
栅极驱动器环路中的电感
并减少开关能量损耗。

栅极驱动注意事项

在驱动 SiC MOSFET 时，设计人员必须记住，需要负栅极驱动来确保硬关断，这与硅不同，硅使用正栅极驱动导通器件。其他需要记住的 SiC 特定因素包括：

• •  更快的 dV/dt 和大于 100 kV/µs 的额定共模瞬变抗扰度 (CMTI)
• •高达 1.7 kV 的峰值连续工作电压 (V_IORM)
• •  驱动能力的功率通常更高，最高可达 10 A
• •  传播延迟和信道失配时间通常小于 10 ns
• •  有源米勒箝位要求，因为开关速度较高，2 V 时的阈值稍低
• •  由于 SiC 裸片尺寸较小 (<1.8>

除此之外，驱动 SiC 器件与驱动基于 Si 的器件大同小异。

应对 EMI

由于 SiC 器件的目标开关频率通常更高，而且上升和下降时间比 Si 产品短得多，工程师往往认为这会导致更大的 EMI 问题。

但是，与 Si 相比，对低频噪声和所需的差模 EMI 滤波器尺寸没有影响。虽然对输入端子上的传导模式噪声有影响，但只是在兆赫兹范围内。这种高频 EMI 可以像基于 Si 的器件一样，通过使用高频材料和电容器来抑制 EMI，从而达到衰减目的。

广泛的应用

如今，SiC 器件的应用范围覆盖 200-kW UPS、180-kW 电动车传动系统、10-kW 太阳能逆变器以及 220-W LED SMPS，所有这些设计都需要牢记一些 SiC 设计注意事项以及一般良好设计原则。