UnitedSiC第四代750V SiC FET问市，加速逆变器革新

作为最成熟的WBG宽带隙半导体，SiC已发展成为可与硅技术匹敌的半导体技术。相比传统Si类器件，它有着开关损耗小、开关频率高和封装小等诸多优势，更适合应用于电动汽车、充电桩和电路保护等多种应用场景中，它们可为高压功率半导体带来许多富有吸引力的特性。凭借这些优势，SiC一跃成为市场焦点，需求量一直居高不下。

面对此状，全球各大厂商纷纷调整业务领域，扩大产能供给，例如，CREE和ROHM正大力扩张150mm SiC晶圆厂产能，并开始着手创建200mm SiC晶圆厂。而对于Fabless初创企业，他们也同样卯足劲，不断突破技术难点，用一个个新产品打出名堂。

近日，全球唯一一家拥有同时兼容SiC和Si驱动的SiC FET制造商UnitedSiC推出了第四代SiC FET，并基于其第四代SiC FET先进技术平台推出四款首批器件。让其强大的业界领先SiC FET产品组合更趋完善。该产品性能取得了突破性发展，旨在加速在汽车充电、工业充电、电信整流器、数据中心PFC直流转换、可再生能源和储能应用中采用宽带隙器件。这四款新型SiC FET包含导通电阻RDS(on)18 mΩ和60mΩ两种方案，其性能表征FoM达到最优，并且其单位面积通态电阻更低。此外，该器件采用先进的烧结式晶粒粘接技术，改进了热性能，从而实现了大额定电流。

UnitedSiC工程师Richard和UnitedSiC亚太区銷售副总裁刘魯伟共同介绍了四代SiC FET的主要亮点。

总的来讲，四代SiC FET有三大优点：

1.一流的 RDS(on) x Area；同时改善给定 RDS(on)的Qrr和Eon/Eoff损失降低Coss(er)/Eoss和Coss(tr)；

2.保持 0 至 12V 栅极驱动器，阈值电压VTH = 5V；

3.保持所有典型 SiC MOSFET、Si IGBT 和 Si MOSFET栅极驱动器的运行能力；

750V器件为高增长电源应用设定性能基准

刘魯伟表示：对于设计师而言，大部分应用电压在400-500V之间，其中大部分厂商都在使用650V的SiC FET，RDS(on) 80mΩ和40mΩ的产品是主流，但随着设计应用电压越来越高，就需要更多的设计余量。UnitedSiC 是业界第一个推出750V SiC FET的公司，它可以为设计人员提供更多的裕量并减少设计约束。与650V的元器件相比，750V SiC FET有更低的导通损耗，在常温25℃和高温125℃下的RDS(on)降低的幅度将近一半。

Eoss和Coss都有所降低，效能显著增强

除了具有极低的RDS(on)外，这些新SiC FET还能在软开关和硬开关电路中提高能效。

首先了解一下何谓硬开关、软开关

硬开关，在开关过程中电压与电流均不为零，并且电压、电流变化很快，波形出现明显的过冲，导致产生开关噪声。硬开关是影响逆变器功率主要因素，其工作的五个不足之处妨碍了半导体开关器件工作频率的提高：

1)电磁干扰严重。

2)二极管反向恢复的问题。

3)感性关断电压尖峰大。

4)开通和关断损耗大。

5)荣性开通电流尖峰大。

对于在硬开关部分，输出电容存储能量Eoss同样重要，它表示输出电容Coss在MOS管存储的能量大小。由于MOS管输出电容Coss有非常明显的非线性特性，随VDS电压的变化而变化。所以如果Datasheet提供了这个参数，对于评估MOS管的开关损耗很有帮助。Richard介绍，当Eoss越大，所产生的切换损失就越大。为此，第四代SiC FET在降低RDS(on)的同时，其Eoss也会有所下降，总体上可以提供比竞争对手高2倍的效能。

上图表明在以硬开关性能表征（FoM）RDSx Eoss作为标准时，750V UnitedSiC FET与650V额定值的SiC竞争产品相比的优势。UJ4C075018K3S（采用TO247-3L封装）和UJ4C075018K4S（采用TO247-4L封装）的RDS(on)很低，仅为18 mΩ，在25oC下，比最接近的竞争产品低50%，在125oC下低近40%。

软开关指半导体器件在开关过程中承受零电压或零电流，即在零电压条件下导通（或关断），在零电流条件下关断（或导通）。软开关在开关开通与关断过程中，电压与电流波形几乎不重叠。软开关可以实现在导通与关断时损耗降到很低。

对于软开关应用，大部分的损耗都是在传导开关部分，四代SiC FET较低的RDS(on)×Coss(tr)（mΩ·nF）规格则可实现更低的传导损耗和更高的频率。这样可在软交换应用中实现更低的功率密度。四代SiC FET不仅超越了现有SiC MOSFET竞争产品的性能（无论是在25℃低温还是125℃高温下工作），而且还提供了最低的体二极管压降VF，并具有出色的反向恢复特性，从而降低了死区损耗并提高效率。

（上图描述了LLC关闭波形示例，其中，Coss(tr)带来的延迟可能会限制最大可用频率。在这种情况下，第四代SiC FET实现了非常低的Coss(tr)和非常高的额定电压，从而能够快速关闭。它的软开关性能表征优势在所有可用运行温度下均为同类最佳。）

四代 SiC FET的二极管压降比650V SiC FET要低2-3倍，这样就可以降低死区时间的导通损失。此外，在电流流经MOSFET体二极管的应用中，反向恢复电荷Qrr会引起一些重大的挑战，这是因为Qrr或反向恢复电荷是当二极管正向偏置时，在MOSFET体二极管的PN结累积的电荷。在大多数应用中，电流在每个开关周期流过体二极管两次，导致电荷累积。之后的电荷释放，要么是在MOSFET内部，要么是作为附加电流(Irr)短暂地流过高边MOSFET，并在系统中造成额外的损耗。而四代SiC FET几乎不会随着温度的升降而变化，这让客户在设计上的效率损失在可控范围内。

传统硅超级结SuperJunction可轻松实现SiC FET转换

较之传统硅超级结SuperJunction的性能，四代SiC FET无论是在电压、Qrr、还是在高温下的软硬开关的应用上面均有优势。因此，用户可以从硅超级结SuperJunction的基础上轻松提升到SiC FET的性能级别上。所以在中高端市场上，四代SiC FET都会覆盖到。

由于与±20V、5V Vth的栅极驱动器广泛兼容，所有的器件都可以用0至+12V栅极电压驱动。因此，可将它们与现有的SiC MOSFET、Si IGBT和Si MOSFET栅极驱动器一起使用。

Richard：“SiC之所以要用负电压，是因为先前的SiC MOSFET的阈值电压Vth只有2V左右，阈值电压会随着温度而改变太低就会导致SiC MOS误导通，这就需要负电压执行关断，以达到保护作用。得益于共源共栅（cascode）架构，UnitedSiC FET基本上在0V状态下即可执行关断，并只需要12V电压状态下便可轻松能够实现导通。”

UnitedSiC SiC FET重要的“性能表征”指标带来了总体表现更好的SiC FET产品，现在，它让功率设计师们能够从新一代系统设计中受益。

UnitedSiC大力开发中国市场

谈到UnitedSiC在中国的发展策略，刘魯伟介绍，UnitedSiC早在2016年初就开始与中国客户进行广泛合作。合作几乎覆盖所有领域，包括电动汽车OBC，DC/DC，驱动；快速充电桩，电信电源，服务器电源，太阳能，储能以及高压断路器。依靠专业的代理商，UnitedSiC已建立起覆盖全国的销售和技术支持网络。此外，为了进一步优化对客户的支持，UnitedSiC将在深圳成立应用实验室，从而帮助客户对SiC器件快速上手，最大限度发挥产品效能。 

技术名词解释：

1.死区时间是脉冲宽度调制PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。死区时间大，模块工作更加可靠，但会带来输出波形的失真及降低输出效率。死区时间小，输出波形要好一些，只是会降低可靠性。一般来说死区时间是不可以改变的，只取决于功率元件制作工艺。

2.反向恢复电流（Irr）：二极管的反向恢复电流是二极管的重要指标，二极管在从正偏转换到反偏的时候，会出现较大的反向恢复电流从阴极流向阳极，其反向电流先上升到峰值，然后下降到零。其上升下降的时间就是反向恢复时间，峰值电流就是反向恢复电流。在高频中会带来很大损耗。反向恢复时间和反向恢复电流与二极管截止时，正向电流的下降速率相关。解决这个问题，一就是用恢复时间更快的二极管。

3.二极管反向恢复电荷（Qrr）：二极管的反向恢复时间，这是衡量一个二极管开关速度的主要参数。

4. Eoss 输出电容存储能量：表示输出电容Coss在MOS管存储的能量大小。由于MOS管的输出电容Coss有非常明显的非线性特性，随VDS电压的变化而变化。这对于评估MOS管的开关损耗很有帮助。

5.栅极驱动器可以驱动开关电源如MOSFET，JFET等，因为如MOSFET有个栅极电容，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值电压（VGS-TH）时MOSFET才开始导通。这就要求栅极驱动的栅极电流足够大，能够瞬时充满MOSFET栅极电容。因此，栅极驱动就是起到驱动开关电源导通与关闭的作用。

6. 共源共栅结构(cascode structure, CSCG)具有很多特点，在CMOS电路中很常见。共源共栅结构最大的特点就是输出阻抗大。

7.阈值电压 (Threshold voltage):通常将传输特性曲线中输出电流随输入电压改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压。