PCIM2024論文摘要｜新型400VSiCMOSFET用于高效三電平工業電機驅動

目前400V市場還沒有有競爭力的解決方案。現有的 200 V中壓MOSFET通過隔離的埋入式場板進行橫向電荷補償，但將其耐壓進一步提升的效果并不理想。同樣，將現有采用超級結技術的600V MOSFET的耐壓降低也存在問題。在這兩種情況下,應用性能都會因特定的器件設計而受到影響，即輸入、輸出和反向恢復電荷較大，輸出電容和米勒電容隨漏極電壓而明顯下降。這些特性阻礙了這些器件在硬開關半橋或全橋拓撲結構中的普遍應用。

400 V SiC MOSFET器件的總體結構沿用了之前介紹的設計方法[1][2]。圖1給出了元胞的橫截面示意圖。有源溝道沿α晶面排列，以提供最佳的溝道遷移率和最低的界面陷阱密度。柵極氧化物由深 p 阱保護，深 p 阱與半導體表面的源電極相連。由于第二溝道側壁與 α 晶面不重合，因此不用作有源溝道。相反，掩埋 p 區沿著非活動側壁與源電極相連。這使得元胞設計非常緊湊，再加上 α 晶面的高溝道遷移率，使得單位面積的導通電阻很低。

圖1. SiC MOSFET結構橫截面示意圖

雖然新型400 V MOSFET與之前推出的第一代器件[2]、[3]的設計相似，但它得益于技術的不斷改進，使晶胞間距明顯縮小，溝道特性得到改善，漂移區特性得到更好的控制。此外，還對芯片設計進行了精心優化，以避免不必要的有效面積損失，例如通過優化結端設計。圖2比較了新型400 V和650 V CoolSiC?技術的一些關鍵器件參數。

圖2. 400 V和650 V MOSFET的性能參數比較

新的400V SiC MOSFET 特別適合那些前級為三相/400Vac整流轉換為560V直流母線電壓的應用。目前，由于沒有其他選擇，這些應用通常采用兩電平拓撲結構中的1200 V半導體。圖3所示的三電平有源中性點鉗位(3L ANPC)拓撲結構[4]特別適合使用400 V器件，因為直流電容器將母線電壓一分為二。這樣就能實現800 V的阻斷能力，此外還能帶來雙向能量轉移的好處。

圖3. 三相3L ANPC逆變器基本示意圖

如圖4所示，在一個3相3電平ANPC逆變器中對器件性能進行了研究。該逆變器采用18個11 mΩ 400 V TOLL封裝的SiC-MOSFET。理想情況下,柵極驅動器可為三相系統提供18個隔離的柵極驅動電壓，因此采用了一種基于平面變壓器正激轉換器的可靠、低成本解決方案，只需一個輸入即可驅動18個隔離輸出。

圖4. 帶有柵極驅動器的 3 相 3L ANPC測試板

逆變器的開關頻率為10 kHz，每個開關的dv/dt限制在5 V/ns。它采用SPWM調制。在VDC=600 V、相電流為15 A，9.74千伏安負載的條件下,逆變器的效率為 n = 99.57 %。圖5和圖6顯示了測量到的電壓和電流波形，表明開關行為平穩。

圖5. 無散熱器運行時的效率和最高外殼溫度測量值

圖6. 高壓側開關的導通和關斷波形 [VDS = 300 V，ILOAD = 30 A，di/dt = 750 A/μs]

論文全文將提供有關器件特性的更多細節，對測試環境的更詳細描述，并包括進一步的測量結果和對結果的解釋。

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