碳化硅 FET 在 SMPS 应用中大放异彩

碳化硅 (SiC) FET 开始在 PWM(脉冲宽度调制)和 SMPS(开关模式电源)系统的固有效率已经成为优势的市场中获得关注。这项新技术的一些主要参与者展示了比之前的 IGBT 和传统 MOSFET 设计效率更高的电源系统。在夏威夷这样的地方，电费可能超过 0.35 美元/千瓦时，这一点变得很重要。在欧洲和亚洲也有类似的高电力成本需要处理。对于生活在电网之外的人来说，这也很重要。

当然，(近乎)完美的电气开关已经存在很长时间了，但我们在这里不是在谈论机械。现代电源转换依赖于理想情况下没有电阻的半导体开关，当打开时没有电阻，关闭时具有无限电阻和耐压，并且能够通过简单的驱动在两种状态之间切换，任意快速，并且没有瞬时功耗。

在我们注重能源和成本的世界中，这些功能有助于在电源、逆变器、电池充电器、电机驱动器等领域实现高功率转换效率。随之而来的好处是减少了设备尺寸、重量和故障率，同时降低了采购成本和生命周期成本。有时，会超出一个简单的效率阈值，从而打开整个应用领域。例如，如果电机驱动器损耗过大并因此又大又重，则电动汽车几乎不可行，而这又需要更多的电池功率，同时又会导致重量和续航里程的进一步损失。从近 75 年前的 Shockley、Bardeen 和 Brattain 时代开始，工程师们因此一直致力于改进半导体开关，以更接近理想状态。

硅金属氧化物栅极 FET (MOSFET) 在 70 年代和 80 年代具有垂直传导路径和平面栅极结构，随后在 90 年代采用“沟槽”布置，因此在高功率方面变得可行。然而，在更高功率下的使用受到电压额定值和可实现的导通电阻的限制。一个主要的发展是 70 年代后期的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，它结合了类似 MOSFET 的栅极驱动和类似双极的传导路径，具有易于驱动和固定饱和电压的优点，因此功耗名义上与电流成正比，而不是与 MOSFET 中的电流平方成正比。然而，IGBT 并非没有自己的问题，有闭锁的趋势，会带来灾难性的后果。关断时的“尾电流”也使动态损耗相对较高，从而限制了工作频率。现代 IGBT 中的闩锁问题现已解决，尾电流最小化，而电流和电压额定值已显着增加，这使得这些部件在非常高的功率转换中很常见。但是，由于动态损耗，开关频率仍被限制在最大几十千赫兹。

使用 SiC 器件作为开关元件的电源系统效率最高可提高 6%。它们通常可以承受比传统电源系统更高的结温。

SiC FET 的栅极驱动性能要求不同于传统的 IGBT 和 MOSFET 解决方案。SiC 器件可能需要大于 20 V 的正偏压才能完全增强(打开)传导通道。如果它们在高温下运行，它们通常还需要负偏压才能完全耗尽(关闭)。这样，它们既不是简单的增强模式也不是耗尽模式设备。相反，它们两者兼而有之。

除了栅极偏置考虑之外，尽管初始成本较高(但迅速下降)，SiC FETS 仍具有优势。截至今年年初，这些器件的运行成本大约是具有类似电流处理能力的 IGBT 成本的 2.5 倍。当考虑整个 MLB(材料、劳动力和负担)时，这种成本差异可能并不重要。效率节省(如上所述)也将有助于偿还更高的 MLB 成本。即使是 0.15 美元/千瓦时，在总功率为 10 千瓦的设备上也可以节省近 0.08 美元/小时。

多年来，这可能会显着增加。考虑到 10 年的使用寿命，对于需要每天 24 小时、每周 7 天、每年 52 周运行的设备，这可以节省超过 8,000 美元的电费。还要考虑到这些部件更高的峰值温度能力可能意味着更少的停机时间。这会带来额外的节省。

该市场的一些新兴参与者包括 Cree、Microsemi 和 Powerex。其中一些设备由 Digikey、Mouser 和其他大型分销商定期备货。这意味着设备已达到商品状态。

这些器件还允许在系统中实现更快的开关频率，从而降低滤波器电路所需的电感值。由于减少了电感器所需的材料和相应的 PC 板面积，这意味着在该面积上进一步节省。请注意，EMI(电磁干扰)可能会在这些较高的开关频率下出现问题，因此建议在此区域采取额外的预防措施。

应用包括各种电力设备或子系统：太阳能逆变器(又名用于光伏阵列的微型逆变器)、功率因数校正 (PFC) 电路、PWM 电机驱动器或控制器，以及许多不同的 SMPS 拓扑。