SiC MOSFET和Si MOSFET寄生電容在高頻電源中的損耗對(duì)比

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專(zhuān)業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為客戶(hù)打造個(gè)性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。在第三代半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，富昌電子結(jié)合自身的技術(shù)積累和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，落筆于SiC相關(guān)設(shè)計(jì)的系列文章。希望以此給到大家一定的設(shè)計(jì)參考，并期待與您進(jìn)一步的交流。

前兩篇文章我們分別探討了SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓，以及SiC器件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的寄生導(dǎo)通問(wèn)題。本文作為系列文章的第三篇，會(huì)從SiC MOS寄生電容損耗與傳統(tǒng)Si MOS作比較，給出分析和計(jì)算過(guò)程，供設(shè)計(jì)工程師在選擇功率開(kāi)關(guān)器件時(shí)參考！

電力電子行業(yè)功率器件的不斷發(fā)展，第三代半導(dǎo)體（SiC，GaN）代替硅半導(dǎo)體已經(jīng)是大勢(shì)所趨。

由于Si MOSFET其輸入阻抗高，隨著反向耐壓的提高，通態(tài)電阻也急劇上升，從而限制了在高壓大電流場(chǎng)合的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的效率，迫切需要一種能承受足夠高耐壓和極快開(kāi)關(guān)速度，且具有很低導(dǎo)通電阻和寄生電容的功率半導(dǎo)體器件。

SiC MOSFET有極其低的導(dǎo)通電阻RDS（ON），導(dǎo)致了極其優(yōu)越的正向壓降和導(dǎo)通損耗, 并且具有相當(dāng)?shù)偷臇艠O電荷和非常低的漏電流，能適合超快的開(kāi)關(guān)速度，更適合高電壓大電流高功率密度的應(yīng)用環(huán)境。

我們都知道開(kāi)關(guān)電源的頻率越高，每秒開(kāi)關(guān)管改變狀態(tài)的次數(shù)就越多，開(kāi)關(guān)損耗和與開(kāi)關(guān)頻率成正比。

富昌電子在長(zhǎng)期的電源電路研究中發(fā)現(xiàn)：開(kāi)關(guān)電源中所有與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的損耗，最顯著的往往是開(kāi)關(guān)管自身產(chǎn)生的損耗。

本文從MOSFET的寄生電容的角度，結(jié)合BOOST PFC電路對(duì)Si MOSFET和SiC MOSFET展開(kāi)討論。

對(duì)于功率MOSFET寄生電容,在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的階段，MOSFET柵極表現(xiàn)為一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入電容。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻 充電或放電。實(shí)際上，柵極對(duì)漏極和原極之間發(fā)生的事情“漠不關(guān)心”。功率MOSFET可等效為下圖：

從驅(qū)動(dòng)信號(hào)角度去觀察柵極，有效輸入充電電容Cg是Cgs與Cgd并聯(lián)：

因此，柵極電容充放電循環(huán)的時(shí)間常數(shù)為：

從這個(gè)公式來(lái)看，似乎暗示著MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動(dòng)電阻是一樣，實(shí)際上兩者有比較大的差別，那是因?yàn)椋覀兿Ｍ麑?dǎo)通時(shí)的速率稍慢，而關(guān)斷時(shí)的速率稍快的原因。

MOSFET的寄生電容在交流系統(tǒng)中的表示方法為：有效輸入電容Ciss，輸出電容Coss，反向傳輸電容Crss. 它們都與MOSFET寄生電容有關(guān)：

通常也會(huì)寫(xiě)成：

為了在同條件下比較Si MOSFET 和 SiC MOSFET的寄生結(jié)電容對(duì)高頻電源效率的影響。我們用全電壓輸入，輸出500w，工作頻率75kHz的PFC電路來(lái)做比較，選擇onsemi, SI MOSFET FQA6N90C  和 SiC MOSFET NTHL060N090SC1來(lái)完成該對(duì)比。

富昌電子在研究過(guò)程中了解到，輸出功率達(dá)到500W，Si MOSFET 需要兩個(gè)MOS 并聯(lián)才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，本文中我們暫且忽略這個(gè)差別，先從單個(gè)的SI MOSFET和SiC MOSFET來(lái)做比較。

靜態(tài)寄生參數(shù)對(duì)比：

FQA6N90C (SI MOSFET)

NTHL060N090SC1（SiC MOSFET）：

在實(shí)際MOSFET 工作過(guò)程中的電壓和電流波形如下：

MOSFET的導(dǎo)通過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)損耗在 t1+ t2+ t3 +t4時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，而交叉時(shí)間僅為：t2+ t3，關(guān)斷過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)損耗在 t6+ t7+ t8 +t9時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，而交叉時(shí)間僅為：t7+ t8 。

假設(shè)MOSFET門(mén)極的驅(qū)動(dòng)電阻為10歐姆，關(guān)斷電阻為5歐姆，可得FQA6N90C時(shí)間常數(shù)Tg：

導(dǎo)通過(guò)程T2的周期時(shí)間為：

導(dǎo)通過(guò)程T3的周期時(shí)間為：

因此導(dǎo)通過(guò)程中的交叉時(shí)間為：

導(dǎo)通過(guò)程的交叉損耗為:

同理關(guān)斷過(guò)程交叉損耗為：

總的交叉損耗為:

寄生電容C_ds，因?yàn)樗缓蜄艠O相連，因此不影響到MOSFET導(dǎo)通過(guò)程中的V-I交叉損耗。但是，該電容在MOSFET關(guān)斷時(shí)充電，在MOSFET導(dǎo)通時(shí)把儲(chǔ)能全部?jī)A瀉到MOSFET中。因此在計(jì)算MOSFET的損耗時(shí)，該電容不能忽略，特別在離線(xiàn)式的AC-DC的電源中，該寄生電容嚴(yán)重影響到電源的效率。在低壓輸入的電源中，該電容對(duì)效率的影響表現(xiàn)的不是很明顯。

可得FQA6N90C寄生電容總損耗為：

相同的計(jì)算過(guò)程可得，NTHL060N090SC1 SIC MOSFET寄生電容總損耗為：

富昌電子研究結(jié)論：在同樣輸入和輸出的電參數(shù)，封裝幾乎相同的條件下，比較Si Mosfet和SiC Mosfet寄生電容帶來(lái)的損耗可知，SiC節(jié)省了60%的寄生損耗。如果采取兩顆Si MOFET并聯(lián)，達(dá)到輸出500W PFC的設(shè)計(jì)目的，Si MOFET寄生電容的損耗是SiC的3.07倍。

總結(jié)

本文針對(duì)MOS的寄生電容做出了分析，并選用onsemi同等功率的SiC與SiMOST進(jìn)行了設(shè)計(jì)比較。這部分的損耗，只是電路實(shí)際工作過(guò)程中MOSFET損耗的一部分，MOSFET的損耗分析稍顯復(fù)雜， 此處沒(méi)有展開(kāi)探討，富昌電子后續(xù)會(huì)連載文章，剖析電路設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。敬請(qǐng)期待！