要說(shuō)半導(dǎo)體圈子現(xiàn)在啥最熱，非第三代半導(dǎo)體莫屬，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)將成為未來(lái)半導(dǎo)體發(fā)展的新熱點(diǎn)，而這些材料為基材的半導(dǎo)體器件主要應(yīng)用于和功率及能源相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)更是離不開(kāi)這些技術(shù)的廣泛普及。

功率半導(dǎo)體具有將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變器功能，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的轉(zhuǎn)換器功能，還具有改變交流電頻率的變頻器功能。相比于傳統(tǒng)的硅（Si）MOSFET和IGBT產(chǎn)品，基于全新碳化硅（SiC）材料的功率MOSFET具有耐高壓，高速開(kāi)關(guān)，低導(dǎo)通電阻性能。除減少產(chǎn)品尺寸外，該類產(chǎn)品可極大降低功率損耗，從而大幅提升系統(tǒng)的能源效率。SiC MOSFET適用于大功率且高效的各類應(yīng)用，包括工業(yè)電源、太陽(yáng)能逆變器和UPS等。

SiC MOSFET的特性

由于碳化硅（SiC）的介電擊穿強(qiáng)度大約是硅（Si）的10倍，因此SiC功率器件可以提供高耐壓和低壓降。與相同耐壓條件下的Si相比，SiC器件中的單位面積導(dǎo)通電阻更低。雙極IGBT器件，在Si器件中通常用作1000V或更高的高壓晶體管。IGBT雙極晶體管與兩種載流子、電子和空穴共同作用，通過(guò)將少數(shù)載流子和空穴注入漂移層中，從而降低漂移層的電阻。但是，雙極晶體管的缺點(diǎn)是由于少數(shù)載流子的積累而在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尾電流，這會(huì)增加關(guān)斷損耗。
另一方面，由于SiC MOSFET是單極器件，即便在高壓產(chǎn)品中，也只能通過(guò)電子工作，因此不會(huì)產(chǎn)生尾電流；同時(shí)，與Si IGBT相比，其關(guān)斷損耗也較低。因此，SiC MOSFET能夠在高頻范圍內(nèi)運(yùn)行，此外，節(jié)省無(wú)源元件也有助于設(shè)計(jì)小型化。我們以東芝半導(dǎo)體的TW070J120B為例，與傳統(tǒng)的硅Si IGBT（低柵極輸入電荷等）相比，TW070J120B 1200V SiC MOSFET可提供更高的開(kāi)關(guān)速度。它可提供低導(dǎo)通電阻和高柵極電壓閥值（Vth），可預(yù)防故障。較寬的柵極-源極電壓（VGSS），支持更簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

圖1  SiC MOSFET與傳統(tǒng)的硅Si IGBT的比較

使用SiC MOSFET的好處

隨著工業(yè)領(lǐng)域里商品化和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，越來(lái)越多的案例將基于器件選擇和最優(yōu)電路解決方案的高度通用參考設(shè)計(jì)用作有效的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法。我們以兩個(gè)參考設(shè)計(jì)方案為例，讓大家直觀感受使用SiC MOSFET的好處。

3相AC 400V輸入PFC轉(zhuǎn)換器

隨著電動(dòng)汽車的日益普及，對(duì)于高效、緊湊型的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需求不斷提高?；跂|芝TW070J120B的3相400V交流輸入功率因數(shù)校正（PFC）電路的參考設(shè)計(jì)展示了如何使用SiC MOSFET提高電源效率。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了97％的功率轉(zhuǎn)換效率， 0.99或更高的功率因數(shù)。這是諸如電動(dòng)汽車（EV）充電站等大功率轉(zhuǎn)換器的PFC（柵極驅(qū)動(dòng)電路、傳感器電路、輸出功率開(kāi)關(guān)）的參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)為功率轉(zhuǎn)換器PFC提供了一個(gè)很好的起點(diǎn)。它可用作原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，有助于發(fā)揮全部潛能。

5KW隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器

基于東芝TW070J120B的5KW隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)展示如何使用SiC MOSFET提高電源設(shè)計(jì)效率。該設(shè)計(jì)采用雙有源橋（DAB）法，是此類大功率轉(zhuǎn)換器的最受歡迎拓?fù)渲弧AB拓?fù)涞膬蓚?cè)均有全橋，以便通過(guò)調(diào)節(jié)左右側(cè)橋電路之間的相位差來(lái)控制功率方向和大小。這種高度通用的參考設(shè)計(jì)是開(kāi)發(fā)諸如電動(dòng)汽車充電站和太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)逆變器等大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用及原型設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。

圖2 東芝TW070J120B的V_GSS，V_th與其他公司產(chǎn)品的比較

從兩個(gè)參考設(shè)計(jì)中我們可以發(fā)現(xiàn)，東芝TW070J120B的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)帶來(lái)了系統(tǒng)性能的大幅提升。TW070J120B采用第2代內(nèi)置碳化硅SBD芯片設(shè)計(jì)，具有高電壓、低輸入電容、低總柵電荷、低導(dǎo)通電阻、低二極管正向電壓、高柵閾值電壓等特性。TW070J120B主要有三個(gè)特點(diǎn)：VGSS額定值做到更寬的-10V~25V，便于應(yīng)用在更多的設(shè)計(jì)中；Vth更高從而避免系統(tǒng)的誤動(dòng)作，其典型是5V而標(biāo)稱范圍是4.2~5.8V；內(nèi)置的肖特基二極管降低了VF，有助于降低導(dǎo)通損耗，部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比參見(jiàn)圖2。