基本半導(dǎo)體碳化硅 MOSFET 的 Eoff 特性及其在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用

一、引言

在電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，碳化硅（SiC）MOSFET 憑借其卓越的性能，成為推動(dòng)高效能電力轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。其中，關(guān)斷損耗（Eoff）作為衡量器件開關(guān)性能的重要指標(biāo)，直接影響著系統(tǒng)的效率、發(fā)熱和可靠性。本文將聚焦于基本半導(dǎo)體碳化硅 MOSFET 的 Eoff 特性，深入探討其技術(shù)優(yōu)勢(shì)及在電力電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

二、碳化硅 MOSFET 的 Eoff 特性解析

（一）Eoff 的定義與影響因素

關(guān)斷損耗（Eoff）是指 MOSFET 在關(guān)斷過程中，由于電壓和電流的交疊而產(chǎn)生的能量損耗。其大小主要與以下因素相關(guān)：

器件物理結(jié)構(gòu)：SiC MOSFET 的平面柵或溝槽柵結(jié)構(gòu)會(huì)影響載流子的復(fù)合速度和電場(chǎng)分布，進(jìn)而改變關(guān)斷過程的能量釋放路徑。例如，基本半導(dǎo)體的 B3M 系列采用優(yōu)化的平面柵工藝，相比溝槽柵器件，在高溫下能更穩(wěn)定地控制 Eoff 增長幅度。

寄生參數(shù)：器件的寄生電容（如 Coss、Crss）和引線電感會(huì)延長關(guān)斷瞬態(tài)過程，導(dǎo)致 Eoff 增加?；景雽?dǎo)體通過改進(jìn)封裝技術(shù)（如 TO-247-4、TOLT 封裝），有效降低了寄生電感，從而減少關(guān)斷損耗。

工作條件：母線電壓（VDS）、負(fù)載電流（ID）、結(jié)溫（Tj）以及驅(qū)動(dòng)參數(shù)（如柵極電阻 Rg）均會(huì)對(duì) Eoff 產(chǎn)生顯著影響。例如，在雙脈沖測(cè)試中，當(dāng) VDS=800V、ID=40A 時(shí)，基本半導(dǎo)體 B3M040120Z 的 Eoff 為 162μJ，優(yōu)于國際品牌 C3M0040120K 的 231μJ。

（二）基本半導(dǎo)體SiC MOSFET 的 Eoff 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

低 Eoff 設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)和外延層參數(shù)，基本半導(dǎo)體第三代 SiC MOSFET（如 B3M 系列）的 Eoff 較第二代產(chǎn)品降低約 18%。例如，B3M040065Z 在 6.6kW OBC 應(yīng)用中，關(guān)斷損耗僅為 42μJ，顯著提升了系統(tǒng)效率。

高溫穩(wěn)定性：6SiC 材料的寬禁帶特性使其在高溫下仍能保持低 Eoff 特性。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)結(jié)溫從 25℃升至 125℃時(shí)，B3M040120Z 的 Eoff 僅增加約 17%，而溝槽柵結(jié)構(gòu)的競(jìng)品增幅可達(dá) 30% 以上。

米勒鉗位技術(shù)：搭配專用驅(qū)動(dòng)芯片（如 BTD5350MCWR）的米勒鉗位功能，可有效抑制關(guān)斷過程中的電壓振蕩，進(jìn)一步降低 Eoff。實(shí)驗(yàn)表明，啟用米勒鉗位后，下管門極電壓波動(dòng)從 7.3V 降至 2V，關(guān)斷損耗減少約 30%。

三、Eoff 特性在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

（一）車載充電電源（OBC）

在車載 OBC 系統(tǒng)中，高效的功率轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵?；景雽?dǎo)體 SiC MOSFET 的低 Eoff 特性使其在單級(jí) PFC+LLC 拓?fù)渲斜憩F(xiàn)優(yōu)異。例如，6.6kW OBC 方案采用 B3M040065Z 作為 LLC 原邊器件，其 Eoff 僅為 6.62μJ，配合驅(qū)動(dòng)芯片 BTD5350MCPR，系統(tǒng)效率可達(dá) 96% 以上。此外，在三相 PFC+CLLC1拓?fù)涞?22kW OBC 中，AB2M040120Z 的 Eoff 特性助力實(shí)現(xiàn)了雙向能量流動(dòng)的高效控制。

（二）車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高功率密度和低發(fā)熱。基本半導(dǎo)體 SiC MOSFET 的低 Eoff 特性使其在 400V/800V 電池平臺(tái)的 LLC 轉(zhuǎn)換中優(yōu)勢(shì)顯著。例如，800V 平臺(tái)下，B2M160120Z 作為 LLC 原邊器件，結(jié)合驅(qū)動(dòng)芯片 BTD25350MMCWR，可將 DC-DC 功率損耗降低 20% 以上，滿足車載低壓系統(tǒng)的高效供電需求。

（三）壁掛式小直流樁

在壁掛式小直流樁中，高頻化設(shè)計(jì)是提升功率密度的關(guān)鍵?；景雽?dǎo)體 SiC MOSFET 的低 Eoff 特性允許開關(guān)頻率提升至 65kHz 以上，同時(shí)保持低損耗。仿真數(shù)據(jù)顯示，采用 B3M040065Z 的無橋 PFC 拓?fù)湓?264Vac 輸入下，總損耗僅為 20.97W，結(jié)溫控制在 128.71℃，確保了充電樁的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（四）工業(yè)與能源領(lǐng)域

在工業(yè)電源、光伏儲(chǔ)能等場(chǎng)景中，SiC MOSFET 的高溫穩(wěn)定性和低 Eoff 特性尤為重要。例如，在光伏儲(chǔ)能的 BUCK-BOOST 電路中，B3M040120Z 在 125℃結(jié)溫下仍能保持低關(guān)斷損耗，支持系統(tǒng)在寬溫域環(huán)境下高效運(yùn)行。此外，在焊機(jī)電源的全橋拓?fù)渲校涞?Eoff 特性可減少焊接過程中的能量損耗，提升焊接效率和質(zhì)量。

四、結(jié)論與展望

基本半導(dǎo)體碳化硅 MOSFET 憑借其優(yōu)異的 Eoff 特性，在車載充電、新能源轉(zhuǎn)換等電力電子領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著 SiC 工藝的不斷進(jìn)步和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的完善，未來其 Eoff 特性將進(jìn)一步優(yōu)化，推動(dòng)電力電子系統(tǒng)向更高效率、更高功率密度和更低成本的方向發(fā)展。對(duì)于工程師而言，深入理解并合理利用 SiC MOSFET 的 Eoff 特性，將為設(shè)計(jì)下一代高效能電力電子設(shè)備提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

審核編輯 黃宇