您是否希望提高功率轉換器設計的效率？或許，您可以考慮使用 SiC FET。了解 SiC FET 如何成為提高所有常見轉換拓撲結構效率的安全方法，以及所有隨之而來的好處。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發布，該公司于 2021 年 10 月加入Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業務擴展到電動汽車 (EV)、工業電源、電路保護、可再生能源和數據中心電源等快速增長的市場。

在撰寫博文時，很多人喜歡用 “母親和蘋果派”（美國俚語，表示大家都認同的說法）這樣的內容作為開頭，例如提高功率轉換效率會帶來種種好處，諸如此類。當然，更高的效率無疑是一種優勢，但有時 “凈增益” 的描述會有失妥當：相比于效率低下的鍋爐，家用電器產生少量熱量便可使中央供暖系統在寒冷條件下輕松運行，也許還可以提升能源使用的整體效率，降低其整體成本。白熾燈亦是如此，當您需要取暖時，白熾燈隨時能成為非常有效的加熱器。

其他用戶也確實看到了一個主要優勢：在溫暖的地方，空調系統所產生的熱量會增加其功耗，從而導致成本成倍攀升。但在工業領域，比如說服務器機群，其能源需求如今超過了全球能源需求的 1%，所以其效率每提高一個小零頭，都代表著可以節省大量成本并大幅降低環境影響。有時候，效率提升會達到一個 “臨界點”，此后的優勢將會成倍飆升。就拿電動汽車來說，若能在其改進過程中創造出更小巧、更輕便的功率轉換器，那必能降低能源需求、延長行駛里程。

因此，哪怕只能提高一個小數，眾多工程師仍會不遺余力地提升效率。在使用不熟悉但具有部分改進的新型拓撲結構進行設計時，他們會評估該設計是否會在某個時間范圍內產生較低的總擁有成本。毋庸置疑，隨著效率的不斷提高，任何改進都會變得更加困難，當效率已經達到 99.5% 左右時，僅 ±0.1% 的輸入和輸出功率測量誤差都可能導致計算損耗比實際值高或低 40%。當電源輸入為存在失真且功率因數欠佳的交流電源，直流電源輸出有殘留噪聲分量，給 DVM 造成混淆時，情況會變得更糟。現在，我們經常使用量熱法來測量熱量輸出，而不是通過電氣測量來推斷熱量輸出。

圖 1. 在效率水平較高的情況下，即使測試設備的精確度僅為 ±0.1%，也會導致效率測量精確度產生較大波動

通過僅改進設計好的半導體來提高功率轉換器效率是一種風險相對較低的辦法。我們可以適當考慮 EMI 輻射的變化，將基于 MOSFET 的轉換器升級為具有較低導通電阻和可能更低開關能量要求的較新器件。但是，要想利用較新的寬帶隙器件（如 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 單元），就必須對電路（尤其是柵極驅動）進行較大的改變。如果現有電路是基于 IGBT 而搭建，則需要考慮徹底地進行重新設計，以便使用寬帶隙器件。

柵極驅動問題與電壓電平有關。所以，要實現全面提升，SiC MOSFET 需要使用電壓電平明顯高于 Si-MOSFET 的導通驅動，這個電壓電平應非常接近器件的絕對最大額定值，且應進行嚴格限制。導通和關斷狀態之間存在的較大電壓波動也意味著需要一定的驅動功率，因為每個導通和斷開周期都會對柵極電容進行充放電。此外，電壓閾值也不是固定值，且存在遲滯，因此實現最佳驅動比較困難。在某種程度上，GaN HEMT 單元則與前述情況相反，其柵極閾值電壓和絕對最大值都非常低，不過也必須要嚴格控制其驅動電路，以免出現過應力和故障。

如果功率轉換器電路需要實現反向或第三象限傳導，則 SiC MOSFET 中的體二極管性能至關重要，否則可能會由于其較高的回收能量和正向電壓降而導致過度損耗。GaN 器件中沒有體二極管，通過信道進行反向傳導，但在信道通過柵極驅動實現主動增強之前，會在死區時間出現較高的壓降。如果柵極在關斷狀態下為負柵極，則 “換向” 期間的電壓降會更高。

使用多個 SiC FET（即 Si-MOSFET 和 SiC JFET 的共源共柵組合）是更有益的解決方案。此類器件采用了 Si-MOSFET 的簡單、非臨界柵極驅動，但其性能品質因數 “導通電阻 x 面積” 以及 “導通電阻 x EOSS” 優于 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 單元的相關品質因數。此外，此類器件本身具有出色的雪崩耐量和自限短路電流性能，且其體二極管效應與具有較低正向壓降和快速恢復性能的低壓 Si-MOSFET 類似。換句話說，通常只需將 SiC FET 插入 Si-MOSFET 或 IGBT 插槽中,即可實現效率提升。與其他技術不同，我們無法只通過調整柵極驅動電阻來控制 SiC FET 的速度，以限制 EMI 和應力，但使用這些超快器件，我們可以通過小型RC 緩沖電路來有效地限制過沖和振鈴。此外，該電路還可用于簡化器件的并聯操作。用此類器件取代 IGBT，可以提高開關頻率且不會帶來過大的動態損耗，從而實現更小巧輕便、成本更低的磁性元件。

SiC FET 是提高所有常見轉換拓撲結構效率的安全方法，同時還能帶來眾多優勢。有人說，怕燙的話，不烤蘋果派（美國的一種美食，此處表示一種所有人都無法拒絕的美好事物）不就行了。這顯然不行，不過在轉換器設計中，您卻可以改用 SiC FET。

多個 SiC FET

https://unitedsic.com/group/sic-fets/