1900/65A-00-04-01-00-00 提高碳化硅技术的参数

　　在一个市场中，一些参与者狭隘地关注特定的品质因数(FOM)，如传导损耗、室温RDS(开)，或RDS(开)× Qg，Wolfspeed采用更广泛、更综合的方法。通过同时改善传导损耗、开关行为、耐用性和可靠性，Wolfspeed的设计理念正在向综合性能迈进。第4代MOSFETs提供了增强的指标，简化了系统设计和可用性，而不影响耐用性和耐用性。

　　第4代MOSFETs以高功率汽车、工业和可再生能源系统为目标，构成了SiC技术的典范变革。这些器件为应用优化的裸芯片、模块和分立式产品的长期发展奠定了基础。每一个基于第四代的设计都专注于三个性能向量:整体系统效率、卓越的耐用性和低系统成本，所有这些都让设计师达到前所未有的性能和价值。

　　传导损耗的重要性

　　对于电动汽车(EV)牵引逆变器、工业电机驱动和人工智能(AI)服务器电源等关键应用而言，将传导损耗降至最低至关重要。这些系统在很宽的负载范围内运行，通常在低功率水平下花费大量时间。降低传导损耗可以提高整个负载范围内的效率，从而扩大电动汽车的行驶里程，提高暖通空调系统的额定能量，并降低服务器群的冷却成本，因为散热需求降低了。此外，较低的传导损耗优化了半导体材料的使用，对于给定的应用，可以实现更高的功率水平或更低的材料成本，这是效率和成本的双赢。

　　在硬开关应用中，例如工业电机驱动、人工智能数据中心的电源和并网系统的有源前端(AFE)转换器，降低开关损耗至关重要。这些应用在不同的负载下运行。它们有时会在短时间内以很高的功率运行，但它们一生中的大部分时间都处于较低的功率水平。从效率角度来看，将传导损耗降至最低有助于提高整个负载范围内的效率。例如，在电动汽车中，这意味着特定电池可实现更长的里程或范围。

　　硬开关应用

　　降低开关损耗有两个主要优势。首先，用户可以提高开关频率，实现更小、更轻、更具成本效益的磁性器件和电容。或者，他们可以通过减少散热、通过更小的散热器或降低冷却要求来降低系统级成本，从而优先提高效率。这些优势并不相互排斥，工程师可以根据自己的具体需求灵活地优化设计。

　　在图1所示的3级DC快速充电器中，AFE将转换器连接到电网。它将电网电压转换成稳定的DC链电压，然后用来给电池充电。与尺寸更大、效率更低的IGBTs不同，碳化硅分立器件和电源模块能够在更高的频率和温度下工作，散热要求更低，因此可以降低损耗，提高效率。

　　图一。3级DC快速充电器的简图。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　第三代与第四代MOSFET性能对比

　　无论是硬开关还是软开关，最小化传导损耗在所有电力电子应用中都很重要。传导损耗主要由导通电阻R驱动DS(开)在应用所需的电流水平和最终结温下评估的功率MOSFET的。在全额定负载电流下，MOSFETs通常在其最大额定工作温度附近工作(或低一些设计余量)。MOSFET器件型号选择以及最终的系统半导体BOM成本取决于这一高温RDS(开)。Wolfspeed的Gen4 MOSFETs可将这种高温特定导通电阻降低高达21 %，在较低温度下降幅更大。在轻负载下，电流水平和结温较低，RDS(开)温度的降低直接转化为系统效率的提高和工作寿命的延长。

　　为了说明第4代MOSFETs在开关损耗和易用性方面的进步，考虑半桥开关事件的波形。虽然第三代器件提供了良好的性能和可靠性，但第四代MOSFETs的进步提高了开关速度，降低了电压过冲，这要归功于改进的体二极管性能和优化的设计。

　　图2和图3显示了1200 V Gen 4器件与等效Gen 3器件的动态开关性能。调整栅极电阻值，以在导通期间提供匹配的di/dt，在关断期间提供匹配的dv/dt。尽管第4代器件能够实现更快的开关速度，但这种方法在比较器件性能时还是比较保守。

　　在导通期间，相对MOSFET的体二极管被换向关闭，导致反向恢复电流流过体二极管并进入导通的MOSFET。改进的Gen 4体二极管行为在导通电流波形中非常明显，它显示了更快的电流恢复，从而显著降低了导通开关损耗。此外，第4代产品中的软体二极管特性减少了开关事件后的响铃振荡，降低了系统噪声，改善了EMI性能。两代产品的关断行为相似，具有低损耗和低EMI特性。

　　图二。Gen 3和Gen 4之间的MOSFET导通波形比较。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图3。第3代和第4代MOSFET关断波形比较。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　改进的体二极管性能以及由此改进的导通性能显著降低了第四代器件的开关损耗。在许多情况下，开关损耗的降低甚至可以更高，因为第4代器件可以在更高的di/dt水平下工作，而不会超过V鐽反向恢复期间的安全操作区域。第四代器件在相同条件下工作时，反向恢复更加柔和，di/dt更低，电压过冲显著降低(约900 V，相当于降低75 %)。

　　这一改进提供了低于1，200 V额定值的300 V裕量，提高了安全系数和鲁棒性。这意味着工程师可以更快地切换现有封装，或者利用先进的封装解决方案实现更高的性能。

　　图4显示了第三代21mωMOSFET与第四代25mω器件之间的损耗。27 %的E西南方当匹配开启di/dt和关闭dV/dt时，在额定电流下实现降低。通过利用较低的R，某些第4代MOSFETs可以进一步改善开关损耗g价值。

　　图4。第三代和第四代的开关损耗比较。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　第四代技术提高了硬交换应用的性能，E降低了15 %在…上和E离开，而软开关和硬开关应用中的传导损耗可以降低21 %特殊卡在工作温度下(175°C RDSON).

　　EMI挑战

　　从图2的对比中可以看出，Gen 4 MOSFETs的另一个优势是反向恢复事件后振荡和振铃现象减少。与Gen 3相比，更平滑的波形将共模电压和辐射降至最低，简化了电磁干扰(EMI)滤波器设计。

　　波形噪声的降低可以简化需要高速开关的系统的开发，同时应对EMI挑战。对于从Gen 3过渡到Gen 4的设计人员来说，Gen 4提供了一条直接升级的途径，在波形行为和系统设计灵活性方面有了显著的改进。

　　宇宙线可靠性

　　高海拔应用，如在山区运行的电动汽车或飞机，面临着宇宙射线诱发的单粒子烧毁的风险。由中子通量(每单位时间撞击半导体的中子数)引起的这些事件可以产生漏极-源极电流(即鐽)流，潜在地导致不良后果。

　　第四代MOSFETs设计具有增强的抗扰性，与前几代相比，宇宙射线及时失效(FIT)率降低了100倍。这种可靠性的提高降低了对过高电压降额的需求，从而实现更高效的系统设计。此外，它们可以承受过载和过应力事件，芯片组合可以在185°C下连续工作，在200°C下有限工作。

　　短路耐受时间

　　短路耐受时间是电机驱动和牵引系统的一个关键参数，可确保故障期间安全停机。第四代技术支持高达2.3μs的耐受时间，与现有栅极驱动器技术兼容，而不影响RDS(开)性能。这种鲁棒性和效率的结合使得第4代MOSFETs非常适合要求苛刻的应用。这扩大了安全工作区(SOA)，确保了稳定的性能。它使设计人员能够减少半导体的使用，在不影响安全性的情况下降低成本。

　　高频软开关应用

　　在软开关应用中，例如板载充电器中使用的甚高频DC/ DC转换器和工业电源的第二级，其设计不同于硬开关前端。开关损耗本来就可以最小化或消除，因此传导损耗是主要的剩余损耗。通常，我们在前端有一个硬开关有源功率因数校正(PFC)级，后面是软开关DC/DC转换器级。该转换器级通常采用LLC、CLLC、移相全桥或双活桥等拓扑结构。在这种设计中，开关损耗不太重要，尽管元件仍需要承受高di/dt和dv/dt应力，并处理高谐振电路电流。

　　软开关应用的主要优势在于由于R的改善而降低了传导损耗特殊卡。这种传导损耗的降低适用于整个负载曲线，对于有效率要求的应用(如能源之星标准)尤其有利。这些电源中的许多都必须符合在不同负载水平下要求高效率的法规，例如满足服务器电源的80 Plus钛效率水平。

　　系统成本和开发时间

　　通过提高传导和开关效率，采用第四代Wolfspeed碳化硅MOSFETs制造的器件使工程师能够设计出更小、更轻、更便宜的系统，如散热器、EMI滤波器和磁性元件。由于第四代的R特殊卡性能，在相同的占地面积内可以实现高达30 %的高功率输出，从而在不增加占地面积的情况下实现更高的功率密度。

　　增强的鲁棒性和可靠性，包括降低对宇宙射线等环境因素的敏感性，允许设计人员使用更小的安全裕度，进一步减少所需的半导体材料。此外，Gen 4 MOSFETs的嵌入式兼容性简化了现有用户的过渡，减少了重新设计工作。

　　如图5所示，Gen 4的体二极管软度系数提高了3.5倍:MOSFETs可有效降低反向恢复场景中的电磁干扰，实现更平滑的操作，而不会影响Q值乡邮投递路线。开关既安全又干净，即使在高dv/dt下也是如此，其电容比高达600:1，可消除寄生过冲风险，并确保在苛刻条件下的可靠系统性能。总之，这些进步使开发人员能够在压缩的设计时间内实现更高的系统性能，同时满足严格的效率和可靠性要求。

　　图5。体二极管反向恢复瞬态的技术比较。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　封装:效率和功率密度

　　凭借其高开关速度和热性能，碳化硅器件突破了传统硅基功率封装的极限。传统设计通常会受到寄生电感的影响，导致电压过冲、振荡和栅极氧化层损坏。这些问题损害了效率，并且需要昂贵的设计权衡。针对SiC定制的先进封装技术可最大限度地降低电源、栅极和共源环路中的寄生电感，从而提高效率、降低开关损耗，并支持使用较低额定值的SiC器件。双面冷却和紧凑布局等特性支持高功率应用、热控制和更高的开关频率，释放了SiC在可靠和高能效系统方面的全部潜力。

　　最小化电源模块中的电感可减少电压振荡，确保干净的开关和更高的效率。内部汇流条和夹子附件等创新将电感降至低至5 nH的水平，从而降低开关损耗并稳定系统性能。

　　包装:系统可靠性和耐用性

　　创新的互连方法对于提高电源模块性能至关重要。传统的引线键合被顶侧夹片互连等先进技术所取代，提供了更低的电阻、更好的热管理和更高的机械可靠性。直接焊接或烧结到芯片上的铜夹提高了功率流和连接强度。

　　银烧结是一种先进的芯片连接技术，可在芯片和氮化硅等基板之间建立牢固的结合，确保出色的导热性和机械耐久性。这种方法越来越多地用于需要高功率和热循环性能的应用中。

　　随着功率密度的上升，有效的热管理至关重要。直接冷却解决方案，如鳍浸没在冷却剂中的针鳍设计，可以有效地从芯片散热。这些方法使SiC器件能够在高温下保持高性能，尤其是在汽车系统中。

　　汽车电源模块的可靠性至关重要，必须符合AEC-Q101和AQG324等严格标准。先进的材料和工艺解决了湿气渗透和引线键合退化等故障机制。例如，环氧模塑料正在取代基于凝胶的密封剂，提供了卓越的防潮性和结构完整性。增强型压配引脚技术支持更高的PCB连接电流容量，适应紧凑和高功率设计。

　　图6。Wolfspeed的YM模块平台包括引脚封装技术。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　新兴应用

　　新的Gen 4 SiC技术通过平衡传导损耗、开关性能和耐用性，标志着电力电子领域向前迈进了一步。虽然有些玩家只关注有限的指标，如室温RDS(开)，Wolfspeed优先考虑在真实操作条件下提供最大的在线价值。新平台将为系统优化电源模块、分立和裸芯片产品的长期路线图奠定基础，并使从电动汽车和工业电机驱动到人工智能服务器电源、可再生能源系统和航空电子设备等行业受益。

　　在…里电动汽车，更低的传导损耗扩大电池范围，而在工业电机驱动中，更高的效率降低了能源使用和冷却成本。在电机驱动和电网电源转换器等硬开关应用中，改进的开关特性可以实现更高的开关频率或更高的效率，从而缩小系统尺寸，降低成本。较低的开关损耗还简化了热管理，支持紧凑设计。增强的反向恢复降低了EMI，简化了滤波器设计和符合性测试，同时解决了可靠性挑战，如宇宙射线引起的单粒子烧毁。

　　第4代MOSFETs具有两微秒的短路耐受时间，确保故障期间的安全操作，并与当前的栅极驱动器技术兼容。在高频DC/DC转换器等软开关应用中，降低传导损耗可以提高符合80 Plus钛标准的系统的效率，如AI服务器电源。可再生能源系统受益于提高的效率和热灵活性，减少维护和提高可靠性。

　　新兴应用，如航空电子设备和电动垂直起降飞机重视MOSFETs的紧凑性、效率和强大的可靠性。第四代设备专为灵活集成而设计，允许设计人员针对性能或可靠性进行优化，满足多样化的市场需求，同时确保出色的结果。