SIC MOSFET(碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管)是一种基于碳化硅(SiC)材料的功率器件。与传统的硅基MOSFET相比，SiC MOSFET具有更高的击穿电压、更低的导通电阻和更高的工作温度

，因而在高效率、高频率和高温应用中表现出色。这些特性使得SiC MOSFET在电动汽车、电源转换器和工业电机等领域具有广泛的应用前景
。

　　在本文中
，利发国际将重点介绍英飞凌科技最近发布的 CoolSiC™ MOSFET G2 的性能优势，该产品现在包括更广泛的产品组合
，其中包括业界首款 400 V 额定 SiC MOSFET
。

　　CoolSiC™ MOSFET G2

　　英飞凌的 CoolSiC™ MOSFET 采用最先进的沟槽栅极技术，具有多项优势，例如卓越的栅极氧化物可靠性以及改进的传导和开关损耗指标。G1 系列于 2017 年首次推出，包含多项功能，使其在硬开关、软开关和部分负载应用中具有竞争性的性能优势。该平台坚固可靠，具有宽栅极电压 (VGS) 范围
、高阈值电压 (Vth)，即使在 0 V 栅极关断电压下也能防止寄生导通，并且在硬换向下具有强大的体二极管操作。

　　数百万 SiC 电源开关(包括分立器件和电源模块)的现场可靠性率(以百万分之一缺陷数 (DPM) 计算)甚至比 Si 器件的可靠性率还要高。随着功率密度的提高
，器件封装在其整体性能中起着至关重要的作用。结到外壳的热阻 (R th, jc ) 通常可以设定器件的最大功率范围
，以允许结温升高 (T vj )
，并且由于器件导通电阻 R DS(on)的升高相应较小，该温度升高的速率越小，在部分负载条件下的效率就越高。

　　对于给定的功率能力，封装或模块上改进的 Rth, jc 可用于简化其冷却并创造成本效益
。封装会多次限制设备的可靠性
。特别是 SiC，其杨氏模量高于 Si，这会在焊点上产生热机械应力。为了减轻 SiC 芯片上的应力和应变(这可能导致芯片从引线框架上分层)，CoolSiC™ G1 和 G2 系列采用了英飞凌专有的 .XT 封装互连技术。这涉及扩散焊接以实现极其坚固的芯片连接，这不仅可以提高可靠性，还可以提高 R th
。

　　今年早些时候推出的 G2 系列以 G1 技术为基础。单元缩小带来了性价比的提升，而一些新增功能则改善了部分关键设备功能。增强功能摘要如下

：

　　在典型用户负载条件下，功率损耗减少约 5-20%

　　通过改进 .XT 技术，R th, jc减少 12%

　　现提供 650 V 和 1200 V单位数 R DS(on)器件

　　最大瞬态 V GS范围宽至 -10 V – +25 V

　　在数据表列出的条件下

，对于 1200 V 设备，保证短路耐受时间至少为 2 µs，过载操作可达200 °C

　　保持 G1 设备的高可靠性
，具有极低的 DPM 率

　　图 1 显示了 1200 V G2 与 G1 以及其他竞争对手 1200 V SiC 器件的品质因数 (FOM) 性能比较。G2 在硬开关

、软开关和部分负载条件下具有显著的效率优势
。给定 R DS(on)时的总栅极电荷 Q G较低

，这也导致栅极驱动功率损耗较低。

　　图 2 显示了 G2 系列采用 .XT 封装互连技术所获得的性能改进
。如图所示
，G2 系列改进的 R th, jc可使电流增加 6-7% 或使给定 T vj的开关频率提高 50% 以上
，或在相同功率下使温度降低约5K。

　　G2 系列的当前版本电压范围为 400 V 至 1200 V，采用多种封装，包括 TOLL

、D 2 PAK-7、TO-247-3、TO-247-4 底部冷却以及 TOLT 顶部冷却封装，其优点如下所述。使用 CoolSiC™ 750 V 和 1200 V G2 器件的汽车级 Power HybridPACK™ 模块也已投入量产，用于混合动力或全电动汽车和其他电机驱动应用。

　　顶部冷却封装

　　顶侧冷却 (TSC) SMD(例如 TOLT 封装)兼具 TO-247 等通孔封装的强大热性能和 SMD 底侧冷却封装的全自动处理潜力。另一个关键优势是
，由于漏极垫现在位于顶部，封装的绝缘底部使其可以放置在标准 PCB 上，该 PCB 还包括数字 IC
、栅极驱动器和其他磁性元件。

　　这样就无需使用标准底部冷却功率器件所用的 IMS 板，从而简化了整体设计，如图 3 所示，用于伺服电机驱动应用。除了成本优势外
，杂散电感的减少还可以带来系统性能优势。计划在不久的将来推出更多 TSC G2 CoolSiC™ 产品，包括 650 V TSC Thin-TOLL 8×8、1200 V Q-DPACK 半桥和 Q-DPACK(一系列各种 R DS(on))。

　　新型 CoolSiC™ 400 V G2 MOSFET

　　服务器电源对功率的需求越来越高。据预测，到 2020 年，用于人工智能 (AI) 训练的高级 GPU 的功率需求将高达每处理器 3 kW
。由于每个 AI 服务器机架配备多个 GPU，因此电源单元 (PSU) 的额定功率将向 8 kW 及以上发展。

　　新推出的 CoolSiC™ MOSFET 400 V G2 非常适合在多级有源前端 (AFE) 拓扑(例如飞行电容图腾柱 PFC)中使用时满足未来的效率和功率密度要求。

　　与 650 V 同类产品相比
，传导和开关损耗有所改善，效率提升高达 0.3%。更平坦的 RDS(on) 与 Tvj 曲线，从 25°C 到 100°C 仅增加 11%，有助于改善系统成本/效率优化，这在考虑极端 AI 服务器负载曲线时尤为重要。同时，体二极管经过优化，具有低反向恢复电荷 (Q fr )，即使在 SMPS 应用中的高 di/dt 条件下也能实现稳健的换向，开关波形对工作温度和负载电流的依赖性可忽略不计。这些设备经过 100% 雪崩测试。

　　首次推出的产品包括 D 2 PAK 和 TOLL 封装，R DS(on)的范围从 11 mΩ 到 45 mΩ
。TOLL 封装的低源电阻，以及低米勒电荷 Q gd、输出电荷 Q oss和 Q fr共同实现了快速开关能力，大大降低了 V DS过冲和振铃
，并缩短了死区时间。这些在系统层面上转化为更高的功率密度、更低的损耗和良好的 EMI 性能
。

　　Gen I 和 Gen II AI 服务器 PSU 空间内的 CoolSiC™ 400 V 设备的推荐拓扑包括 3 级 PFC

，其中 400V V DSS完美适合 Gen 1 服务器的 277 VAC RMS 和 Gen II 服务器的 347 VAC RMS，如图 4 所示
。

　　对于图4所示的第一代示例，对使用650V SiC MOSFET 的最先进的 2L 图腾柱 PFC 与使用 CoolSiC™ 400V MOSFET 的 3L 飞电容 CCM 图腾柱 PFC 进行了比较
。该设计由两个交错的 2.8 kW 高频支路组成
，器件开关频率为 80 kHz
，电感开关频率为 160 kHz
。如图 5 所示，400 V 器件的性能优势有助于实现平坦的效率曲线，效率 > 99.4%，功率密度 > 100W/ in3
。

利发国际科技专注功率器件领域
，为客户提供IGBT
、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商
。