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。