高壓功率器件設計挑戰(zhàn)如何破？

不斷提升能效的需求影響著汽車和可再生能源等多個領域的電子應用設計。對于電動汽車 (EV) 而言，更高效率意味著更遠的續(xù)航里程；而在可再生能源領域，發(fā)電效率更高代表著能夠更充分地將太陽能或風能轉換為電能。

圖1.在電動汽車和可再生能源領域，對更高效率的不懈追求正推動著設計向前發(fā)展

這兩大領域都廣泛采用開關電子器件，因而又催生了更高電壓器件的需求。電壓和效率之間的關系遵循歐姆定律，也就是說電路中產生的功耗或損耗與電流的平方成正比。同理，當電壓加倍時，電路中的電流會減半，因而損耗會降到四分之一。根據這個原理，為了減少傳輸損耗，電力公司通常使用超高電壓來輸送電力，比如英國的電網電壓常為275,000伏或400,000伏。

電力公司依賴重型變壓器等設備來處理高傳輸電壓，而汽車和可再生能源領域的情況要更復雜一些，因為相關應用中通常涉及大量電子設備。

半導體設計面臨高電壓挑戰(zhàn)

基于開關電力電子器件的轉換器和逆變器是可再生能源發(fā)電廠和電動汽車的關鍵組件。雖然MOSFET和IGBT都可以用在相關系統中，但前者的柵極驅動功率較低、開關速度更佳且在低電壓下效率更高，所以MOSFET占據了市場主導地位，并廣泛用于各類電力電子應用。

功率MOSFET主要有三個作用，即阻斷、開關和導通（如圖2所示），因此該器件必須滿足每個階段的要求。

圖2.在開關階段，MOSFET需要能夠切斷漏極和源極之間的大電壓；

在阻斷階段，MOSFET要能完全承受應用的額定電壓；而在導通和開關階段，又必須滿足對電路損耗和開關頻率的要求。導通損耗和開關損耗都會影響整體效率，更高的開關頻率有利于搭建更小更輕的系統，而尺寸和重量恰好是電動汽車和工業(yè)應用的關鍵屬性。

追求更高電壓的趨勢正在挑戰(zhàn)傳統硅MOSFET的極限，并且實現低導通損耗和快速開關時間所需的低RDS(on)和高柵極電荷值也越來越困難，同時成本也在不斷攀升。因此，電力電子設計人員轉而借助碳化硅(SiC)來實現更高的效率。SiC是一種寬禁帶材料，與硅相比具有多項優(yōu)勢，包括熱導率高、熱膨脹系數低和最大電流密度更高等，因此在導電性能方面表現更加優(yōu)異。此外，SiC的臨界擊穿場強更高，也就是說較薄的器件就能夠滿足額定電壓的需求，從而能夠大幅縮小器件尺寸。

目前SiC MOSFET能夠承受近10kV的超高電壓閾值，而硅MOSFET能夠承受的電壓閾值僅為1.5kV。此外，SiC器件的開關損耗較低、工作頻率較高，因此能夠實現更優(yōu)異的效率，尤其適合用于工作溫度較高、熱導率要求高的大電流、高功率應用。

安森美 (onsemi) 能夠滿足對更高電壓的需求

為了滿足對高擊穿電壓器件日益增長的市場需求，安森美構建了內部端到端SiC制造能力，能夠制造SiC二極管、SiC MOSFET和SiC模塊等一系列產品。

相關產品系列包括NTBG028N170M1，這是一款擊穿電壓較高的SiC MOSFET，如圖3所示。這款N溝道平面器件針對高電壓下的快速開關應用進行了優(yōu)化，VDSS為1700V，擴展VGS為-15/+25V。

圖3.安森美的NTBG028N170M1

NTBG028N170M1支持高達71A的連續(xù)漏極電流(ID)和高達195A的脈沖漏極電流，且其 RDS(ON) 典型值僅為28mΩ，有助于減少導通損耗。另外，該器件的柵極電荷 (QG(tot)) 非常低，僅為222nC，可確保進一步降低高頻工作期間的損耗，此外器件采用D2PAK–7L表面貼裝，可以減小工作期間的寄生效應。

安森美EliteSiC系列還包括一系列額定電壓為1700V的SiC肖特基二極管，這些二極管可在整流器等電力電子系統中與MOSFET搭配使用。這些二極管具有較高的最大反向重復峰值電壓 (VRRM)、較低的正向峰值電壓 (VFM) 和出色的反向漏電流，使設計工程師能夠在高溫環(huán)境下實現穩(wěn)定的高電壓運行。

EliteSiC助力打造高效的電力電子設計

在依賴電力電子設備的應用中，對更高效率的探索從未停歇。隨著系統電壓的不斷提高，傳統的Si-MOSFET無法適應未來需求。SiC器件為相關設計人員指明了新方向，使其能夠在提高效率的同時，縮小器件尺寸，滿足更嚴格的應用要求。安森美的1700V NTBG028N170M1能夠幫助工程師在關鍵電力電子系統中實現更高電壓的設計。