使用SiC MOSFET的好處是什麼？

為了闡明要點，讓我們來看一個實際例子。作為工業逆變器製造商的A公司一直在努力提高效率，以應對當前迅速變化的市場趨勢。除了採用新設計外，修改現有設計和替換現有產品元件也至關重要。作為該客戶的東芝供應商被要求在短時間內對現有設計和元件做出修改，具體通過調用相關參考設計來完成。

A公司經營多種逆變器產品，其中一種是2kVA輸出單相逆變器。該產品高度通用並廣泛應用于各類工業機器人和生產線。因此，A公司的需求呈現多樣化特點，每種需求都需得到充分滿足。尤其是急需提高效率，現有產品也需獲得支援。因此，A公司需要採購替換性的功率半導體器件，但希望盡可能減少對現有設計的變更，以減少產品所受影響。

提高效率的第一個嘗試是2kVA輸出單相逆變器。顯而易見，該類逆變器產品如能進一步降低損耗，在市場上將會更具競爭力。不過，該逆變器為低輸出型，其電路結構簡單，與高輸出型相比，效率提升空間不是很大。東芝工程師檢查了逆變器中集成的四個絕緣柵雙極電晶體（以下簡稱“IGBT”），並研究通過更換這些開關器件可以降低多少損耗.。

通過與A公司的溝通，確認使用IGBT的現有機型的損耗情況如下：

由於使用IGBT的現有產品的驅動條件可驅動SiC MOSFET，因此東芝工程師檢查了替換後的損耗情況。

由於IGBT的電流導通損耗為4.4W，因此應將導通損耗與IGBT基本相同的SiC MOSFET納入考慮範圍。導通損耗可根據SiC MOSFET的導通電阻計算得出。與導通電阻和逆變器輸出相電流相關的導通損耗被繪製成圖表（見下圖）。因此，在一系列潛在的輸出相電流條件下，應將與現有IGBT導通損耗相同的SiC MOSFET納入考慮範圍。

Based on the results obtained, it was decided that the TW070J120B 2nd Generation SiC MOSFETs would be the optimal fit. This device has 70mΩ on-resistance, which translates into almost the same conduction loss (4.4W) as that of the existing IGBT.

TW070J120B

In the circuit of the existing product, the IGBT was replaced with 2nd Generation SiC MOSFETs TW070J120B. It was calculated that the switching loss at a phase current of 10A, based on the switching waveform and other factors, would lead to turn-on switching loss of 2.5W and a turn-off switching loss of 1.5W.

The following is a comparison of each loss between the existing IGBT and the replacement 2nd Generation SiC MOSFETs. By replacing the IGBT with a TW070J120B, the turn-on and turn-off losses were significantly reduced, with a total loss reduction of 5.9W (from 14.4W down to 8.5W) being achieved.

The enhanced switching characteristics of the SiC MOSFETs are largely related to the significant reduction in switching losses. Although IGBTs can achieve high withstand voltage and low on-resistance, they have tail current issues to factor in. In contrast, SiC MOSFETs realize high withstand voltages, low on-resistance and high-speed switching characteristics due to the endemic characteristics of SiC (and its wide bandgap properties). Unlike IGBTs, the device structure does not generate tail current, meaning that switching losses can be kept low.

The following waveform diagram gives a comparison of the switching waveforms of a general IGBT and a TW070J120B 2nd Generation SiC MOSFETs. Although it is not an evaluation waveform in the circuit and operating conditions of this case, it shows the typical characteristics of IC/ID and VCE/VDS at turn-on and turn-off of IGBT and SiC MOSFETs for the gate drive signal under the same conditions. In this example, the IC/ID is 10A and the VCE/VDS is 800V.

在導通時，SiC MOSFETs的IC／ID上升速度只是稍快，但其收斂至10A設定條件所需的時間快得多。但對於IGBT而言，其收斂需花費些時間，在此期間會發生能量損耗。導通時流過的電流包括集電極/漏極和發射極/源極之間的二極體（無論是外置還是內置）的恢復電流，因此二極體的恢復特性會產生影響。

對於所選的TW070J120B SiC MOSFET而言，在漏極和源極之間放置了一個單獨的碳化矽（SiC）肖特基勢壘二極體。該二極體的恢復特性高，恢復電流收斂快。與高速開關相結合，有助於減少導通期間的損耗。

關斷時的IC／ID下降特性有很大差異。由於內在拖尾電流流經IGBT，因此需相當長的時間才能收斂到足夠關斷的狀態。很明顯，在這段時間內會有大量電流流動——從而導致出現相當大的損耗。由於SiC MOSFET不產生拖尾電流，因此關斷時的損耗要小得多。

理想情況下，開關元件依據柵極信號執行立即導通和關斷，此時IC／ID和VCE／VDS立即收斂至條件值。換句話說，除此之外產生的任何電流×電壓（即電力）基本上都是損耗。因此，開關元件的開關特性對於降低開關損耗來說至關重要。通過優化工作條件可使開關特性接近理想狀態，但不可避免地要排除某些基本特性的影響，如IGBT中存在的拖尾電流。如這些特性被證明存在無法克服的問題，那麼用SiC MOSFET替換IGBT的論點將更具說服力。

通過更改此處提及的現有2kVA單相逆變器產品的開關元件（將IGBT替換為SiC MOSFET），額定運行期間每個器件的損耗將從14.4W降至僅8.5W，這相當於損耗降低了約41%。這主要歸功於SiC MOSFET卓越的開關能力。

需要指出的是：除了降低損耗外，採用SiC MOSFET還具有諸多優點。SiC MOSFET在高溫環境下具有優異的工作特性，與IGBT相比，可簡化現有散熱措施。此外，由於開關損耗非常低，系統可在比IGBT開關可支援頻率更高的頻率下運行。如能提高開關頻率，就可以降低週邊器件（線圈和電容器）的使用，從而節省空間和成本，並使產品具有更大的競爭優勢。

通過將A公司現有產品的IGBT開關元件替換為SiC MOSFET，東芝成功解決了功率損耗問題。除了提供能夠修改現有實施方案的參考設計外，東芝還提供了大量的額外技術支援。東芝正持續地開發新創新技術，以持續提高SiC MOSFET性能，並擴大基於碳化矽（SiC）的功率器件產品線。