如何量化 SiC FET 的脉冲电流能力

宽带隙 (WBG) 半导体器件，例如碳化硅 (SiC) 场效应晶体管 (FET)，以其最小的静态和动态损耗而闻名。除了这些特性之外，该技术还可以承受高脉冲电流，在固态断路器等应用中特别有优势。本文深入探讨了 SiC FET 的特性，并与传统硅解决方案进行了比较分析。

半导体开关功率损耗最小化的持续追求由 WBG 器件引领，而 SiC FET 占据了中心地位。这些器件由 SiC 结栅场效应晶体管 (JFET) 和共封装的硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 构成，作为常闭器件脱颖而出，具有用户友好的栅极驱动器。它们令人印象深刻的“品质因数”组合胜过竞争技术，特别是专注于单位芯片面积的导通电阻 (R DSxA)，该指标衡量了低静态和动态功率损耗与成本效益的结合。尽管 SiC FET 的芯片尺寸较小，这意味着每个晶圆上的单元更多，器件电容更小，但 SiC FET 却超出了预期，表现出更高的温度耐受性和更高的峰值电流能力。让我们来看看这些数字。

SiC FET 导通电阻性能

量化 SiC FET 的性能，以 Qorvo 的 750V 额定器件(TOLL 封装中的部件 UJ4SC075005L8S)为例，其 R DS xA 值比第四代 SiC MOSFET 高 2.2 倍，并且在整个温度范围内始终保持稳定。实际上，该器件在 25°C 时导通电阻为 5.4 mΩ，在 125°C 时导通电阻为 9.2 mΩ，超过相同封装中额定电压为 600/650 V 的硅或 SiC-MOSFET 和氮化镓高电子迁移率晶体管 (GaN HEMT) 4 到 10 倍。

为了利用这种超低电阻实现高额定电流，样品 SiC FET 采用银烧结芯片连接和先进的晶圆减薄技术，实现从结点到外壳 0.1 °C/W 的热阻。此外，SiC 器件的最大结温为 175 °C，这意味着单个器件在连接到简单的 0.58 °C/W 散热器时可以连续处理 80 A 电流，结温为 175 °C，环境温度为 85 °C。

SiC FET 峰值电流额定值

SiC 器件的最大结温 (T J,Max ) 值及其额定电流基本上由所用的封装决定。尽管 SiC 本身具有在超过 500°C 的温度下安全运行的能力，但在共源共栅 SiC FET 的 JFET 中，最高温度限制为 175°C。这一限制仍然允许 SiC FET 在从较低温度启动时处理明显高于其连续额定值的瞬态峰值电流。特定芯片和封装(例如上述 SiC FET 器件)的瞬态热阻抗图概述了这些特性，如图1所示。

例如，单个 100 µs 脉冲会导致结温瞬时升高，每瓦功耗约升高 0.015 °C。在约 10 ms 脉冲持续时间内，从结到外壳的热阻接近稳态值。

图 1和图 2显示了 SiC FET 器件样本的实际意义。在每种情况下，器件外壳都焊接到 PCB 上的铜平面上，铜散热孔直通背面铝制散热器，温度保持在 50°C，由绝缘热界面材料 (TIM) 隔开。图 2 说明，从结到环境的热阻可能为 >1.2 o C/W，而芯片和 TOLL 封装决定了低于约 1 毫秒的瞬态热响应。如图 3 所示，在这种布置下，连续额定值为 89 A，而器件在达到 175°C 的 T J,Max之前，可以处理 500 µs 单脉冲高达 588 A 的峰值电流。

图 1：采用 TOLL 封装的 Qorvo SiC FET 器件在带有热通孔、TIM 和 Al 散热器的 PCB 上组装时，其瞬态热阻抗模型

图 2：Qorvo SiC FET 器件在 TJ,Max 为 175 °C 时的实际峰值电流能力

SiC FET 与 Si-MOSFET

虽然 SiC FET 表现出色，但一个关键问题出现了：它们与通常用于低功率固态断路器的 Si-MOSFET 相比如何?电流平方时间 (I 2 t) 额定值是处理浪涌电流的设备的常用测量指标，它提供了令人信服的比较结果。样品 SiC FET 可承受 588 A 电流，持续时间为 500 µs，而 Si-MOSFET 额定值约为 200 A，显示出“I2t”相差 8.6 倍，如图3所示。

图 3：SiC FET 与 Si-MOSFET I2t 额定值的比较

高峰值电流额定值的额外优势

除了 SiC FET 在过载条件下提供的明显安全裕度外，它还有其他优势。事实证明，SiC FET 非常适合具有电感负载的功率转换电路，这种电路中预计会出现电压过冲。这些器件具有强大的雪崩能力和 750V 额定电压。此外，在人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和流媒体等数据密集型应用的推动下，服务器和类似应用中的板载 DC-DC 转换器越来越需要紧凑外形中的高峰值功率额定值。

这些转换器的设计通常假设结温会因峰值电流而接近其最大值。数字控制由传感器和通过 PMBus™ 的预测算法实现，可提供结温反馈，指示负载根据需要“节流”，以防止开关结超过其绝对最大值。SiC FET 提供的充足裕度使人们对电源系统的可靠性和使用寿命充满信心，从而可能减少对多个并联设备的需求，并节省成本和电路板面积。

固态断路器专为应对高故障电流而设计，可以使用 SiC FET 和 JFET，因为它们具有低压降，可取代绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，尤其是在较低电流水平下。SiC FET 的峰值电流额定值增加了这些断路器的坚固性，允许过流检测电路在反应前加入更长的延迟。此属性使断路器更能抵御“干扰”触发。

结论

峰值电流额定值为数百安培的紧凑型 SiC FET 成为需要高功率密度和峰值负载处理的现代电源转换应用的理想元件。指标证实，这些元件的性能优于同电压等级的 GaN 和 Si 或 SiC-MOSFET 元件。