三代进化，安森美 EliteSiC MOSFET 技术发展解析

SiC 器件性能表现突出，能实现高功率密度设计，有效应对关键环境和能源成本挑战，也因此越来越受到电力电子领域的青睐。与硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 相比，SiC 器件的运行频率更高，有助于实现高功率密度设计、减少散热、提高能效，并减轻电源转换器的重量。其独特的材料特性可以减少开关和导通损耗。与 Si MOSFET 相比，SiC 器件的电介质击穿强度更高、能量带隙更宽且热导率更优，有利于开发更紧凑、更高效的电源转换器。

本文引用地址：

安森美 (onsemi)的 1200V 分立器件和模块中的 M3S 技术已经发布。M3S MOSFET 的导通电阻和开关损耗均较低，提供 650 V 和 1200 V 两种电压等级选项。本白皮书侧重于探讨专为低电池电压领域的高速开关应用而设计的先进 onsemi M3S 650 V SiC MOSFET 技术。通过各种特性测试和仿真，评估了 MOSFET 相对于同等竞争产品的性能。本文为第一篇，将重点介绍SiC MOSFET的基础知识、M3S 技术和产品组合。

简介

虽然 SiC 器件已在工业领域应用多年，但在汽车行业的应用仍处于早期阶段。该器件广泛用在各种电动汽车器件中，例如主驱逆变器、DC-DC 转换器、辅助电源装置等。SiC MOSFET 为车载 DC-DC 转换器带来了诸多优势，包括更低的开关和导通损耗、更高的效率和功率密度以及更宽的温度范围。

SiC MOSFET 的另一个车载应用场景是车载充电器 (OBC)。目前，大多数电动和插电式混合动力汽车 (PHEV) 都配备了车载充电器，可以通过插座或交流充电站为电池充电。使用 SiC 器件替代基于 Si 的电源 MOSFET 可以提高车载充电器的功率密度和能效，同时相关 SiC 系统的成本也比基于 Si 的车载充电器更低 [1]。

在设计车载 DC-DC 转换器和车载充电器时，工程师总是难以妥善调整 SiC 器件并充分发挥该技术的潜力。为了减小磁性器件的体积并提高变换器的性能，可以提高电源器件的开关频率。得益于 SiC 的材料特性，与 Si MOSFET 和 IGBT 相比，其开关和导通损耗更低 [2]。

M3S 技术和产品组合

a. 技术说明

安森美 EliteSiC MOSFET 技术历经了三代发展。第一代 M1 采用经典的平面 DMOS 结构，关键尺寸适中，标志着安森美首次进军 SiC MOSFET 市场。

第二代 M2 实现了重大进展。布局从正方形转变为细长的六边形，从而提高了单元电芯密度。此外，衬底减薄 70% 以上，有效降低了寄生电阻，使特定导通电阻 (RSP) 下降 20%。

第三代 M3 引入了更多创新。先前的方形和六边形几何单元电芯被条形设计所取代，大幅减小了单元电芯间距。与 M2 相比，此次改进使 RSP 又降低 30%。M3 技术部署到了两种特定应用的产品中：M3S 和 M3E/M3T。M3E 产品旨在满足主驱逆变器应用的要求，短路耐受时间约为 1.5 µs，但这是以牺牲 RSP 为代价的。另一方面，本文重点介绍的 M3S 实现了超低 RSP，并且不受短路耐受时间的限制，是车载充电器和高压 DC-DC 转换器等高速应用的理想选择。

b. 产品组合

M3S 650 V SiC MOSFET 器件用于竞争激烈且成本敏感的 400 V 电动汽车市场，可广泛应用于车载充电器和 DC-DC 转换器。

该器件有三种不同的封装选项（TO-247-3、TO-247-4 和 D2Pak），导通电阻分别为 23 mΩ 和 32 mΩ。三种封装的电容相似，而功耗 (PD) 和结至外壳热阻 (RθJC) 略有差异。三引脚和四引脚 TO-247 之间的区别在于，通过开尔文源连接，四引脚版本的开关性能更佳。使用第四个驱动源引脚可将栅极环路中的寄生电感降至更低。降低漏源电压尖峰和栅极振铃可降低 EMI 并提高可靠性。

D2PAK 旨在帮助降低寄生电感并提高机械稳健性，其紧凑的尺寸可实现高集成度和高密度设计。然而，与 TO-247 封装相比，D2PAK 的热管理设计更具挑战性。TO-247 封装支持将其散热焊盘直接连接到散热片。然而，D2PAK 的散热焊盘焊接到印刷电路板 (PCB) 上，然后连接到散热片，从而在路径中引入了额外的热阻。

表 1. M3S 650 V SiC MOSFET 已发布产品

[1]     B.Shi, A.Ramones, Y.Liu, H.Wang, Y.Li, S.Pischinger, J.Andert, “A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development” in IET Power Electronics, vol. 16, no. 12, 2017. 10.1049/pel2.12524.

B.Shi、A.Ramones、Y.Liu、H.Wang、Y.Li、S.Pischinger、J.Andert，“电动汽车中碳化硅 MOSFET 的综述：应用、挑战与未来发展”(A review of silicon carbide MOSFETs in electrified vehicles: Application, challenges, and future development)，《IET Power Electronics》，第 16 卷，第 12 期，2017 年。10.1049/pel2.12524。

[2]     J. Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D. Callegaro, J. Reimers and A. Emadi, “A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles,” in IEEE Access, vol. 9, pp. 51501-51518, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3069448.

J.Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D.Callegaro、J. Reimers 和 A. Emadi，“电动汽车双向车载充电器综述”(A Review of Bidirectional On-Board Chargers for Electric Vehicles)，《IEEE Access》，第 9 卷，第 51501-51518 页，2021 年，doi：10.1109/ACCESS.2021.3069448。

未完待续~