SiC 器件性能表現(xiàn)突出，能實現(xiàn)高功率密度設計，有效應對關鍵環(huán)境和能源成本挑戰(zhàn)，也因此越來越受到電力電子領域的青睞。與硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 相比，SiC 器件的運行頻率更高，有助于實現(xiàn)高功率密度設計、減少散熱、提高能效，并減輕電源轉(zhuǎn)換器的重量。其獨特的材料特性可以減少開關和導通損耗。與 Si MOSFET 相比，SiC 器件的電介質(zhì)擊穿強度更高、能量帶隙更寬且熱導率更優(yōu)，有利于開發(fā)更緊湊、更高效的電源轉(zhuǎn)換器。

安森美 (onsemi)的 1200V 分立器件和模塊中的 M3S 技術已經(jīng)發(fā)布。M3S MOSFET 的導通電阻和開關損耗均較低，提供 650 V 和 1200 V 兩種電壓等級選項。本白皮書側(cè)重于探討專為低電池電壓領域的高速開關應用而設計的先進 onsemi M3S 650 V SiC MOSFET 技術。通過各種特性測試和仿真，評估了 MOSFET 相對于同等競爭產(chǎn)品的性能。本文為第一篇，將重點介紹SiC MOSFET的基礎知識、M3S 技術和產(chǎn)品組合。

簡介

雖然 SiC 器件已在工業(yè)領域應用多年，但在汽車行業(yè)的應用仍處于早期階段。該器件廣泛用在各種電動汽車器件中，例如主驅(qū)逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、輔助電源裝置等。SiC MOSFET 為車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器帶來了諸多優(yōu)勢，包括更低的開關和導通損耗、更高的效率和功率密度以及更寬的溫度范圍。

SiC MOSFET 的另一個車載應用場景是車載充電器 (OBC)。目前，大多數(shù)電動和插電式混合動力汽車 (PHEV) 都配備了車載充電器，可以通過插座或交流充電站為電池充電。使用 SiC 器件替代基于 Si 的電源 MOSFET 可以提高車載充電器的功率密度和能效，同時相關 SiC 系統(tǒng)的成本也比基于 Si 的車載充電器更低 [1]。

在設計車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器時，工程師總是難以妥善調(diào)整 SiC 器件并充分發(fā)揮該技術的潛力。為了減小磁性器件的體積并提高變換器的性能，可以提高電源器件的開關頻率。得益于 SiC 的材料特性，與 Si MOSFET 和 IGBT 相比，其開關和導通損耗更低[2]。

M3S 技術和產(chǎn)品組合

a. 技術說明

安森美 EliteSiC MOSFET 技術歷經(jīng)了三代發(fā)展。第一代 M1 采用經(jīng)典的平面 DMOS 結(jié)構，關鍵尺寸適中，標志著安森美首次進軍 SiC MOSFET 市場。

第二代 M2 實現(xiàn)了重大進展。布局從正方形轉(zhuǎn)變?yōu)榧氶L的六邊形，從而提高了單元電芯密度。此外，襯底減薄 70% 以上，有效降低了寄生電阻，使特定導通電阻 (RSP) 下降 20%。

第三代 M3 引入了更多創(chuàng)新。先前的方形和六邊形幾何單元電芯被條形設計所取代，大幅減小了單元電芯間距。與 M2 相比，此次改進使 RSP 又降低 30%。M3 技術部署到了兩種特定應用的產(chǎn)品中：M3S 和 M3E/M3T。M3E 產(chǎn)品旨在滿足主驅(qū)逆變器應用的要求，短路耐受時間約為 1.5 μs，但這是以犧牲 RSP 為代價的。另一方面，本文重點介紹的 M3S 實現(xiàn)了超低 RSP，并且不受短路耐受時間的限制，是車載充電器和高壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等高速應用的理想選擇。

圖 1. EliteSiC MOSFET 的技術演進

b. 產(chǎn)品組合

M3S 650 V SiC MOSFET 器件用于競爭激烈且成本敏感的 400 V 電動汽車市場，可廣泛應用于車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

該器件有三種不同的封裝選項（TO-247-3、TO-247-4 和 D2Pak），導通電阻分別為 23 mΩ 和 32 mΩ。三種封裝的電容相似，而功耗 (PD) 和結(jié)至外殼熱阻 (RθJC) 略有差異。三引腳和四引腳 TO-247 之間的區(qū)別在于，通過開爾文源連接，四引腳版本的開關性能更佳。使用第四個驅(qū)動源引腳可將柵極環(huán)路中的寄生電感降至更低。降低漏源電壓尖峰和柵極振鈴可降低 EMI 并提高可靠性。

D2PAK 旨在幫助降低寄生電感并提高機械穩(wěn)健性，其緊湊的尺寸可實現(xiàn)高集成度和高密度設計。然而，與 TO-247 封裝相比，D2PAK 的熱管理設計更具挑戰(zhàn)性。TO-247 封裝支持將其散熱焊盤直接連接到散熱片。然而，D2PAK 的散熱焊盤焊接到印刷電路板 (PCB) 上，然后連接到散熱片，從而在路徑中引入了額外的熱阻。

表 1. M3S 650 V SiC MOSFET 已發(fā)布產(chǎn)品