碳化硅 (SiC) MOSFET 提供了巨大的新特性和功能，但它們也帶來了新的挑戰(zhàn)。ROHM 半導體器件使工程師能夠充分利用 SiC MOSFET，同時克服驅動它們的挑戰(zhàn)。

擴展MOSFET 的能力

晶體管作為數(shù)字電子產品的構建塊間歇性地存在。基于半導體的晶體管的發(fā)明，取代了用于電氣開關的真空管，使人類在技術上取得了一些最終的飛躍。

電子產品中最常見的晶體管類型是 MOSFET 晶體管或金屬氧化物半導體場效應晶體管。這些晶體管利用半導體材料的特殊特性，允許小電流信號控制有時大得多的電流信號的開關。一種類型的MOSFET，在電力電子電路中用作開關，它經(jīng)過專門優(yōu)化，可承受高電壓并以最小的能量損失通過負載電流。

一種新的化合物半導體材料碳化硅 (SiC) 與硅相比，在制造這些功率開關 MOSFET 方面具有多項優(yōu)勢，而且非常堅硬。SiC 的擊穿電場強度是其 10 倍，帶隙是 3 倍，并且能夠實現(xiàn)器件構建所需的各種 p 型和 n 型控制。碳化硅的熱導率是硅的 3 倍，這意味著冷卻能力是硅的 3 倍。

圖 1：半導體材料比較（碳化硅與硅與氮化鎵）

碳化硅又稱金剛砂，是一種由硅和碳組成的化合物半導體。它在自然界中作為一種稱為莫桑石的稀有礦物出現(xiàn)，但自 19 世紀以來一直作為磨料大量生產。碳化硅直到最近才進入能夠高速運行的高溫、高壓半導體器件的批量生產。

SiC MOSFETS 日益普及

因此，用碳化硅構建的 MOSFET 比單獨使用硅的性能有了顯著的進步。碳化硅 MOSFET 具有更高的擊穿電壓、更好的冷卻和溫度耐受性，因此可以做得更小。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）主要用于 600V 以上的開關電壓，但碳化硅材料使 MOSFET 可用于 1700V 和更高的電流。SiC MOSFET 的開關損耗也比 IGBT 低得多，并且它們可以在更高的頻率下運行。

圖 2：SiC MOSFET 相對于 Si MOSFET 和 IGBT 的優(yōu)勢

由于這些和其他優(yōu)點，碳化硅 MOSFET 越來越多地用于工業(yè)設備的電源和高效功率調節(jié)器的逆變器/轉換器。

羅姆的解決方案

但 SiC MOSFET 也帶來了新的電路設計挑戰(zhàn)。最重要的是，它們需要高電流柵極驅動，以快速提供所需的全部柵極電荷 (Qg)。碳化硅 MOSFET 僅在由推薦的 18V 至 20V 柵極至源極 (Vgs) 電壓驅動時才表現(xiàn)出低導通電阻，該電壓明顯高于驅動硅 MOSFET 或 IGBT 所需的 10V 至 15V Vgs。

ROHM 提供了兩種互補的解決方案來應對驅動 SiC MOSFET 帶來的挑戰(zhàn)。首先是他們最新的 SiC MOSFET 器件的新封裝創(chuàng)新。第二個是能夠驅動高達 20A 的 MOSFET 柵極驅動器器件。這些 ROHM 解決方案共同使工程師能夠實現(xiàn) SiC MOSFET 器件必須提供的所有優(yōu)勢。

具有驅動源引腳的 SiC MOSFET

ROHM 的新型?SiC MOSFET?封裝創(chuàng)新增加了一個引腳，以提供與電源分離的驅動源。在傳統(tǒng)的 3 引腳 FET 中，由于引腳的電感和流經(jīng)器件的高負載電流而在源極引腳上產生的電動勢有效地降低了晶體管所見的 Vgs。這個較低的 Vgs 抑制了晶體管的完全導通。在具有單獨驅動源引腳的新設備中，該引腳提供從柵極驅動器到內部晶體管源的直接訪問。從而避免了電源引腳上的電感效應。

圖 3：傳統(tǒng) 3 引腳 MOSFET 與具有獨立驅動源引腳的新封裝

具有獨立驅動源引腳的 SiC MOSFET 有 4 引腳或 7 引腳封裝。4 引腳封裝為 TO-247-4L，由 ROHM 部件號 SCT3xxxAR 或 SCT3xxxKR 指定。7 引腳封裝為 TO-263-7L，由 ROHM 部件號 SCT3xxxAW7 或 SCT3xxxKW7 指定。

圖 4：具有獨立驅動源引腳的 SiC MOSFET 封裝

圖 4：具有獨立驅動源引腳的 SiC MOSFET 封裝

大電流柵極驅動器

ROHM 具有電流隔離功能的新型晶體管柵極驅動器 ( BM6112 ) 非常適合應對驅動 SiC MOSFET 的獨特挑戰(zhàn)。它可以驅動高達 20A 的大電流，驅動高達 20V 的柵極電壓，并且以小于 150ns 的最大 I/O 延遲完成所有操作。該柵極驅動器具有令人印象深刻的特性和資格，包括 3750 Vrms 隔離、欠壓鎖定 (UVLO) 和短路保護，使設計人員能夠充分利用 SiC MOSFET。

大多數(shù)傳統(tǒng) FET 柵極驅動器無法直接驅動 SiC MOSFET，因此它們需要在柵極驅動器和 FET 之間使用緩沖器。然而，BM6112 在大多數(shù)情況下可以直接驅動單個 SiC MOSFET。然而，在驅動電源模塊時，幾乎總是需要柵極驅動緩沖器。

BM6112 符合汽車標準 (AEC-Q100)，適用于汽車、工業(yè)逆變器和 UPS 系統(tǒng)應用。

創(chuàng)新救人

SiC 半導體材料的使用代表了 MOSFET 器件技術的飛躍。碳化硅 MOSFET 速度快、電壓高、溫度高。它們有望在許多應用中取代 IGBT，具有更快的運行速度、更小的尺寸和更低的損耗。通過添加單獨的驅動源引腳和用于驅動 SiC MOSFET 柵極的隔離式柵極驅動器 IC 的封裝創(chuàng)新，設計人員可以在其設計中充分利用 SiC MOSFET 的優(yōu)勢。

審核編輯：郭婷