安森美 (onsemi)的1200V 分立器件和模塊中的 M3S 技術已經發布。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 相對于同等競爭產品的性能。第一篇介紹SiC MOSFET的基礎知識、M3S 技術和產品組合。本文為第二篇，將介紹電氣特性、參數和品質因數、拓撲與仿真等。

電氣特性、參數和品質因數

在本小節中，我們將比較 M3S SiC MOSFET (NVBG023N065M3S) 與 M2 器件 (NVBG060N065SC1) 以及競爭器件。我們選擇了導通電阻和峰值電流均非常相似的表面貼裝器件 (SMD) 作為開關，并在不同條件下進行了特性測試，以比較各器件的重要參數。

a. 靜態參數

器件的導通損耗可以用關鍵參數 RDS(on)來衡量。因此，本小節在 25°C 和 175°C 結溫下測量了器件的 RDS(on)特性。此外還在 15 V 和 18 V 兩個不同的柵極-源極電壓下進行了測量，其中導通脈沖寬度為 300 μs。圖2為 NVBG023N065M3S、NVBG060N065SC1 與競爭產品 A 的導通電阻測量結果。

圖 1. 25°C（左）和 175°C（右）條件下器件的導通電阻比較

測試得出的主要結論是NVBG023N065M3S 器件在各種電流水平下均具有穩定的 RDS(on)。NVBG023N065M3S 的 RDS(on)從 5 A 到 100 A 的偏差為 13%，而 NVBG060N065SC1 和競爭產品 A 的對應數值分別為 25% 和 26%。

b. 動態參數

SiC 器件的反向恢復電荷比 Si MOSFET 少，因此開通峰值電流更小，開通開關損耗也更低 [1]。為了更好地理解和量化開關損耗，通常使用 Ciss、Coss、Crss和 Qrr等關鍵參數進行評估。在大多數高功率應用中，Ciss、Coss、Crss的電壓水平一般都超過 10 V。米勒電容 (Crss) 至關重要，因為它可以耦合漏極和柵極電壓。

在開關過程中，較低的 Crss減少了改變 MOSFET 狀態所需提供或從柵極移除的電荷量。這使器件能夠更快地在開通和關斷狀態之間進行轉換，從而縮短電壓電流同時較高的時間，減少開關損耗。圖3比較了 M3S、M2 和競爭產品 A 之間的電容。

安森美的新一代產品 NVBG023N065M3S 在 VDS≥ 11V 時的 Crss值較低，這有助于減少導通和關斷開關損耗。此外，NVBG023N065M3S 的 Coss值非常接近競爭產品，并且在某些電壓水平下優于其他器件 [2]。

圖 2. 輸入、輸出和反向傳輸電容比較

本文測量了幾種負載電流條件下兩種器件的開關損耗。測量過程采用雙脈沖測試設置，測試條件設定如下：

Vin= 400 V,

Rg= 2 Ω ? 4.7 Ω,

Vgs_on= +18 V,

Vgs_off= ?3 V,

開關電流 = [5A, 100A]

每個器件的內部柵極電阻不同，因此總柵極電阻匹配為 6 Ω。圖 3 為這三個器件在 25°C 時的開通、關斷和總開關損耗。

圖 3. 25°C 時的開關損耗比較

可以得出結論，與其他兩款器件相比，NVBG023N065M3S 的開通和關斷損耗更低。在 5 A 至 100 A 的負載電流范圍內，NVBG023N065M3S 的平均總損耗與上一代器件 NVBG060N065SC1 相比減少了 31%，與競爭產品 A 相比減少了 42%。

進行反向恢復測試時，漏極電流為 ID= {20 A, 40 A, 60 A}，總柵極電阻為 Rg, tot= 8.5 Ω，柵極電壓為 Vgs= ?3 V/18 V，溫度為 25 °C。根據圖 5 中的結果，與競爭產品 A 相比，安森美新一代 NVBG023N065M3S 的反向恢復時間更短、反向恢復電荷更少且反向恢復能量也更低，因此具有更優異的反向恢復性能。

圖 4. 25°C 反向恢復特性比較

c. 參數和品質因數比較

下表總結了各器件主要屬性的比較情況。各數值的每個屬性已根據 M3S 器件值進行歸一化。

圖 5. 各電源器件性能比較

根據圖 5，可以得出關于 NVBG023N065M3S 的以下結論：

與競爭產品器件相比，開關損耗降低 35%。

175°C 時，特定導通電阻比競爭產品器件低 28%。

與競爭產品器件相比，反向恢復電荷低 26%。

這證明 M3S 是適用于硬開關應用的出色技術。

拓撲與仿真

a. 基準拓撲

安森美的 M3S SiC MOSFET 專為高頻開關應用而設計，是車載充電器應用和 HV DC/DC 轉換器的理想選擇。相關器件經過專門定制，具有超低開關損耗，同時保持非常低的導通損耗，因此成為了圖騰柱功率因數校正 (PFC) 轉換器等硬開關應用的理想選擇。此外，由于導通電阻 RDS(on)較低、開關損耗非常小，M3S 器件也是LLC 轉換器、CLLC 轉換器和相移全橋等軟開關應用的優選。

圖騰柱 PFC 轉換器是一種簡單且高效的拓撲，廣泛應用于需要高密度設計的領域。需要更高的功率和更高的能效時，可采用三相交錯式圖騰柱 PFC 轉換器（圖 6）。

圖 6. 三相交錯式圖騰柱 PFC 轉換器

b. PFC 轉換器的功率損耗比較示例

在前面幾小節中，我們通過測量值評估了導通和開關損耗，然后使用 PSIM 仿真程序對比了損耗情況[3]。選擇三相圖騰柱 PFC 轉換器作為拓撲，并采用以下測試條件（如圖6所示）。

Vin= 230 Vrms

Vout= 400 V

Rg, tot= 6.1 Ω

Vgs= ?5/18 V

Fsw= 100 kHz

Pout= 11 kW

表 2 展示了每種器件滿負荷（11 kW）時的功率損耗。可以觀察到，NVBG023N065M3S 器件受益于較低的導通損耗以及較低的開關損耗，最終實現了更高的系統能效。

表 1. 基于 PSIM 仿真結果的單個器件損耗

結論

安森美M3S 650V SiC MOSFET 技術在電力電子領域取得了重大進展，尤其適用于電動汽車 (EV) 和其他節能系統中的高速開關應用。從 M1 到 M3 的演進將特定導通電阻 (RSP) 降低 50% 以上，并引入了四引腳 TO-247-4 等封裝創新，逐步提高了開關性能，這彰顯了安森美致力于優化 MOSFET 設計的承諾。M3S 產品組合以低 RDS(on)和出色的開關性能而聞名，在車載充電器和 DC-DC 轉換器等成本敏感型市場中占據領先技術地位。

特性分析結果表明，M3S 與安森美前幾代產品的性能優于競爭產品，開關損耗降低 31-42%，總開關損耗降低 35%。M3S的輸出和反向電容較低，有助于加快開關速度，也因此成為了圖騰柱 PFC 轉換器等硬開關拓撲和 LLC 轉換器等軟開關拓撲的理想選擇。此外，M3S SiC MOSFET 表現出優異的反向恢復性能，與競爭產品相比，恢復電荷和能量顯著降低，進一步提高了系統能效。

隨著電動汽車系統對功率密度、能效和熱性能的要求不斷提高，M3S 技術解決了行業面臨的關鍵挑戰。搭配全面的產品組合，安森美M3S MOSFET 為高能效電源轉換提供了多功能的可靠解決方案。