Wolfspeed第4代碳化硅技术：重新定义高功率应用的性能和耐久性 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

Wolfspeed 第 4 代碳化硅技术：

重新定义高功率应用的性能和耐久性

简介

本白皮书重点介绍 Wolfspeed 专为高功率电子应用而设计的第 4 代碳化硅 (SiC) MOSFET 技术。基于在碳化硅创新领域的传承，Wolfspeed 定期推出尖端技术解决方案，重新定义行业基准。在第 4 代发布之前，第 3 代碳化硅 MOSFET 凭借多项重要设计要素的平衡，已在广泛用例中得到验证，为硬开关应用的全面性能设定了基准。

市场上的某些厂商只关注特定品质因数 (FOM)，如导通损耗、室温下的 RDS(on) 或 RDS(on) × Qg，而 Wolfspeed 则采用了一种更为广泛且综合的方法。通过同时优化导通损耗、开关性能、稳定性和可靠性，Wolfspeed 的设计理念可确保全方位的性能。第 4 代 MOSFET 延续了这一设计理念，全面提升了各项指标，在保持 Wolfspeed 引以为傲的坚固耐用的同时，简化了系统设计，提高了易用性。

第 4 代 MOSFET 主要面向高功率汽车、工业和可再生能源系统，为碳化硅技术带来了新的范式。此类器件为产品开发的长期路线图提供了灵活的基础，包括应用优化的裸芯片、模块和分立式产品等。基于第 4 代技术的每项设计都关注三个性能向量：整体系统效率；卓越的耐久性；较低系统成本。所有这些特性都旨在助力设计人员实现前所未有的性能和价值。

性能效率提升

导通损耗的重要性

尽可能减少导通损耗，对于电动汽车 (EV) 中的牵引逆变器、工业电机驱动器以及人工智能 (AI) 服务器电源等关键应用至关重要。这些系统在宽负载范围内运行，通常会在低功率水平下运行较长时间。减少导通损耗可提高整个负载范围内的效率，从而延长电动汽车的续航里程，提高 HVAC 系统的能效评级，节约服务器集群的冷却成本（因为减少了散热需求）。

此外，较低的导通损耗还可优化半导体材料的使用，提高给定应用的功率水平或降低其材料成本，同时实现效率和成本的双重效益。

硬开关应用

在硬开关应用（如工业电机驱动器、AI 数据中心电源以及并网系统的有源前端 (AFE) 转换器）中，减少开关损耗至关重要。

此类应用在不同负载下运行。它们有时会在短时间内以非常高的功率运行，但在使用寿命的大部分时间里都处于较低的功率水平。从效率视角来看，最大限度减少导通损耗有助于提高整个负载范围内的效率。例如，在电动汽车中，这意味着同样的电池可实现更长的行驶里程或续航时间。

减少开关损耗有两大优势。首先，客户可以提高开关频率，从而实现更小、更轻、更具成本效益的磁性元件和电容器。其次，客户还可通过减少散热来优先提升效率，并通过使用更小的散热器或更低的冷却需求来降低系统级成本。以上优势并不相互排斥，客户可以根据其特定需求灵活地优化设计。

* 阅读应用说明，进一步了解如何测量开关和导通损耗。

在图 1 所示的 3 级直流快速充电机中，AFE 将转换器连接到电网。它将电网电压转换为稳定的直流链路电压，用于给电池充电。与体积更大、效率较低的 IGBT 相比，碳化硅分立器件和功率模块可减少损耗并提高效率，因为它们能够在更高的频率和温度下工作，同时减少了散热需求。

图 1：3 级直流快速充电机的简图

第 3 代 MOSFET 与第 4 代 MOSFET 性能对比

在所有电力电子应用中，无论是硬开关还是软开关，最大限度减少导通损耗都很重要。导通损耗主要取决于功率 MOSFET 的导通电阻(RDS(on))，而该导通电阻则与应用所需的电流水平和由此产生的结温有关。在满额定负载电流下，MOSFET 的工作温度通常接近其最高额定工作温度（或因设计裕度而略低）。MOSFET 的型号选择和最终的系统半导体 BOM 成本由该高温 RDS(on) 决定。Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 在高温下的导通电阻可降低高达 21%，而在较低温度下，该电阻降低幅度更大。在电流水平和结温较低的轻负载下，RDS(on) 随温度的降低直接提高了系统效率，并延长了工作寿命。

为了说明第 4 代 MOSFET 在开关损耗和易用性方面的改进，应考虑半桥开关事件的波形。在第 3 代器件所具有的出色性能和可靠性基础上，Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 通过改进提高了开关速度并减少了电压过冲，这得益于体二极管性能的提升和设计的优化。第 4 代器件的这些改进建立在第 3 代的强大基础之上，确保了在产品组合过渡期间，即便是在要求严苛的应用中，也能保持一贯的卓越表现。

图 2 和图 3 显示了 1200 V 第 4 代器件与第 3 代等效器件在动态开关性能方面的对比。调整栅极电阻值，以便在导通期间提供匹配的 di/dt，在关断期间提供匹配的 dv/dt。第 4 代器件能够实现更快的开关速度，这里仅展示了一种比较器件性能的保守方法。

在导通过程中，另一个 MOSFET 的体二极管会换向关断，导致反向恢复电流通过体二极管流入正在导通的 MOSFET。改进的第 4 代体二极管行为在导通电流波形中表现得非常明显，其电流恢复速度更快，从而显著降低了开通损耗。此外，第 4 代器件的软体二极管性能导致开关动作时的振铃减少，可降低系统噪声并提高 EMI 性能。两代器件的关断表现相似，可实现低损耗和低 EMI。

图 2：第 3 代和第 4 代 MOSFET 的导通波形对比

图 3：第 3 代和第 4 代 MOSFET 的关断波形对比

改进的体二极管性能以及由此提升的开通性能可大幅降低第 4 代器件的开关损耗。在许多情况下，开关损耗的降低幅度甚至更大，因为第 4 代器件可在更高的 di/dt 水平下工作，同时在反向恢复过程中不会超出 VDS 安全工作区。

在相同条件下工作时，第 4 代器件的反向恢复过程更为平缓，从而降低了 di/dt 并显著减少了电压过冲（约 900 V，降幅达 75%）。

这种改进使得器件在 1200 V 的额定电压下拥有 300 V 的裕量，从而提高了安全系数和稳健性。客户可通过现有封装实现更快的开关速度，或者通过高级封装解决方案（如 Wolfspeed 的定制功率模块）来获得更高性能。

图 4 显示了 Wolfspeed 第 3 代 21 mΩ MOSFET 与第 4 代 25 mΩ 器件之间的损耗。当匹配开通 di/dt 和关断 dV/dt 时，在额定电流下可实现 27% 的 ESW 降低。某些第 4 代 MOSFET 可通过采用更低的 Rg 值来进一步改善开关损耗。

图 4：第 3 代和第 4 代的开关损耗对比

第 4 代技术提高了硬开关应用的性能，使得 EON 和 EOFF 的降幅高达 15%，同时也减少了软开关和硬开关应用中的导通损耗，使工作温度下的 RSP 降低高达 21%（在 175 °C 下的 RDS(on) 表现优异）。

减少 EMI 设计挑战

从图 2 的对比中可以看出，第 4 代 MOSFET 的另一个优势在于减少了反向恢复后的振荡和振铃。与第 3 代相比，第 4 代 MOSFET 的波形更为平滑，最大限度地减少了共模电压和辐射发射，简化了电磁干扰 (EMI) 滤波器设计。

* 进一步了解实现 EMI 合规性的设计捷径。

降低波形噪声可简化需要高速开关的系统的开发，同时应对 EMI 挑战。对于从第 3 代向上升级的客户，第 4 代提供了一条便捷的升级路径，在波形行为和系统设计灵活性方面都有显著提升。

专为应对严苛的环境而设计

宇宙射线可靠性

高海拔应用（如在山区行驶的电动汽车或飞机）会面临由宇宙射线引发的单粒子烧毁风险。这些事件由中子通量（每单位时间撞击半导体的中子数）引起，可产生漏源电流 (IDS)，进而可能引发不良后果。

第 4 代 MOSFET 采用增强的抗扰度设计，与前几代相比，宇宙射线失效率 (FIT) 可降低 100 倍。这种可靠性提升减少了对过度电压降额的需求，使得系统设计更加高效。此外，它们还能够承受过载和过应力事件。Wolfspeed 芯片产品组合经过认证，可在 185 °C 下持续运行，并能在 200 °C 下进行有限寿命的运行。

短路耐受时间

短路耐受时间是电机驱动器和牵引系统的关键参数，可确保在发生故障时安全关闭。第 4 代技术支持高达 2.3 微秒的耐受时间，可与现有的栅极驱动器技术兼容，且不会影响 RDS(on) 性能。第 4 代 MOSFET 兼具稳健性和效率，是要求严苛应用之理想选择。

这些特性扩展了安全工作区 (SOA)，可确保稳健的性能。设计人员在设计时能减少半导体使用，从而降低成本，同时不影响安全性。

高频率软开关应用

软开关应用（如用于车载充电机和工业电源第二阶段的超高频 DC-DC 转换器）的设计与硬开关前端有所不同。开关损耗在此类应用中被最大限度地减少甚至消除，因此导通损耗成为主要的剩余损耗。通常，前端有一个硬开关的有源功率因数校正 (PFC) 阶段，之后是一个软开关的 DC-DC 转换器阶段。

该转换器阶段通常采用 LLC、CLLC、移相全桥或双有源桥等拓扑结构。在此类设计中，开关损耗不太重要，尽管组件仍需承受高 di/dt 和 dv/dt 应力，并处理高谐振电路电流。

软开关应用的主要优势在于减少因 RSP 改进而降低的导通损耗。这种导通损耗的降低适用于整个负载曲线，对于有能效要求（如能源之星 Energy Star 标准）的应用尤其有益。其中许多电源必须符合要求在不同负载水平下实现高效率的法规，例如，满足服务器电源的 80 Plus 钛金级能效水平。

系统成本和开发时间优势

Wolfspeed 的第 4 代碳化硅 MOSFET 在降低系统成本和加快开发时间方面具有显著优势。通过提升导通和开关频率，这些器件使工程师能够设计出具有更小、更轻、更便宜组件的系统，如散热器、EMI 滤波器和磁性元件。

得益于出色的 RSP 性能，在相同面积内可实现高达 30% 的功率输出，从而在不增加额外空间的情况下提升功率密度。

增强的稳健性和可靠性，包括降低对宇宙射线等环境因素的敏感性，使设计人员能够使用更小的安全裕度，从而进一步最大程度减少所需的半导体材料。此外，第 4 代 MOSFET 的即插即用式兼容性让现有用户能够轻松升级，减少了重新设计的工作量。

如图 5 所示，第 4 代器件的体二极管软度因子提高了 3.5 倍：MOSFET 在反向恢复场景中可有效将 EMI 降至最低，实现了更平稳的运行，而无需对 QRR 权衡取舍。即使在高 dv/dt 下，开关操作也能既安全又简洁，这得益于高达 600:1 的电容比，它消除了寄生过冲的风险，并确保了在苛刻条件下的可靠系统性能。所有这些改进相结合，使开发人员能够在更短的设计时间内实现优化的系统性能，同时满足严格的效率和可靠性要求。