开关性能大幅提升！安森美M3S 与M2 SiC MOSFET直观对比

　　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。第一篇介绍SiC MOSFET的基础知识、M3S 技术和产品组合。本文为第二篇，将介绍电气特性、参数和品质因数、拓扑与仿真等。

　　电气特性、参数和品质因数

　　在本小节中，我们将比较 M3S SiC MOSFET (NVBG023N065M3S) 与 M2 器件 (NVBG060N065SC1) 以及竞争器件。我们选择了导通电阻和峰值电流均非常相似的表面贴装器件 (SMD) 作为开关，并在不同条件下进行了特性测试，以比较各器件的重要参数。

　　a. 静态参数

　　器件的导通损耗可以用关键参数 RDS(on)来衡量。因此，本小节在 25°C 和 175°C 结温下测量了器件的 RDS(on)特性。此外还在 15 V 和 18 V 两个不同的栅极-源极电压下进行了测量，其中导通脉冲宽度为 300 µs。

　　测试得出的主要结论是NVBG023N065M3S 器件在各种电流水平下均具有稳定的 RDS(on)。NVBG023N065M3S 的 RDS(on)从 5 A 到 100 A 的偏差为 13%，而 NVBG060N065SC1 和竞争产品 A 的对应数值分别为 25% 和 26%。

　　b. 动态参数

　　SiC 器件的反向恢复电荷比 Si MOSFET 少，因此开通峰值电流更小，开通开关损耗也更低。为了更好地理解和量化开关损耗，通常使用 Ciss、Coss、Crss和 Qrr等关键参数进行评估。在大多数高功率应用中，Ciss、Coss、Crss的电压水平一般都超过 10 V。米勒电容 (Crss) 至关重要，因为它可以耦合漏极和栅极电压。

　　在开关过程中，较低的 Crss减少了改变 MOSFET 状态所需提供或从栅极移除的电荷量。这使器件能够更快地在开通和关断状态之间进行转换，从而缩短电压电流同时较高的时间，减少开关损耗。图3比较了 M3S、M2 和竞争产品 A 之间的电容。

　　安森美的新一代产品 NVBG023N065M3S 在 VDS≥ 11V 时的 Crss值较低，这有助于减少导通和关断开关损耗。此外，NVBG023N065M3S 的 Coss值非常接近竞争产品，并且在某些电压水平下优于其他器件。

　　本文测量了几种负载电流条件下两种器件的开关损耗。测量过程采用双脉冲测试设置，测试条件设定如下：

　　Vin= 400 V,

　　Rg= 2 Ω − 4.7 Ω,

　　Vgs_on= +18 V,

　　Vgs_off= −3 V,

　　开关电流 = [5A, 100A]

　　每个器件的内部栅极电阻不同，因此总栅极电阻匹配为 6 Ω。下图为这三个器件在 25°C 时的开通、关断和总开关损耗。

　　可以得出结论，与其他两款器件相比，NVBG023N065M3S 的开通和关断损耗更低。在 5 A 至 100 A 的负载电流范围内，NVBG023N065M3S 的平均总损耗与上一代器件 NVBG060N065SC1 相比减少了 31%，与竞争产品 A 相比减少了 42%。

　　进行反向恢复测试时，漏极电流为 ID= {20 A, 40 A, 60 A}，总栅极电阻为 Rg, tot= 8.5 Ω，栅极电压为 Vgs= −3 V/18 V，温度为 25 °C。根据图 5 中的结果，与竞争产品 A 相比，安森美新一代 NVBG023N065M3S 的反向恢复时间更短、反向恢复电荷更少且反向恢复能量也更低，因此具有更优异的反向恢复性能。

　　c. 参数和品质因数比较

　　下表总结了各器件主要属性的比较情况。各数值的每个属性已根据 M3S 器件值进行归一化。

　　根据上图，可以得出关于 NVBG023N065M3S 的以下结论：

　　与竞争产品器件相比，开关损耗降低 35%。

　　175°C 时，特定导通电阻比竞争产品器件低 28%。

　　与竞争产品器件相比，反向恢复电荷低 26%。

　　这证明 M3S 是适用于硬开关应用的出色技术。

　　拓扑与仿真

　　a. 基准拓扑

　　安森美的 M3S SiC MOSFET 专为高频开关应用而设计，是车载充电器应用和 HV DC/DC 转换器的理想选择。相关器件经过专门定制，具有超低开关损耗，同时保持非常低的导通损耗，因此成为了图腾柱功率因数校正 (PFC) 转换器等硬开关应用的理想选择。此外，由于导通电阻 RDS(on)较低、开关损耗非常小，M3S 器件也是LLC 转换器、CLLC 转换器和相移全桥等软开关应用的优选。

　　图腾柱 PFC 转换器是一种简单且高效的拓扑，广泛应用于需要高密度设计的领域。需要更高的功率和更高的能效时，可采用三相交错式图腾柱 PFC 转换器(如下图)。

　　b. PFC 转换器的功率损耗比较示例

　　在前面几小节中，我们通过测量值评估了导通和开关损耗，然后使用 PSIM 仿真程序对比了损耗情况。选择三相图腾柱 PFC 转换器作为拓扑，并采用以下测试条件(如图6所示)。

　　Vin= 230 Vrms

　　Vout= 400 V

　　Rg, tot= 6.1 Ω

　　Vgs= −5/18 V

　　Fsw= 100 kHz

　　Pout= 11 kW

　　下表展示了每种器件满负荷(11 kW)时的功率损耗。可以观察到，NVBG023N065M3S 器件受益于较低的导通损耗以及较低的开关损耗，最终实现了更高的系统能效。

　　结论

　　安森美M3S 650V SiC MOSFET 技术在电力电子领域取得了重大进展，尤其适用于电动汽车 (EV) 和其他节能系统中的高速开关应用。从 M1 到 M3 的演进将特定导通电阻 (RSP) 降低 50% 以上，并引入了四引脚 TO-247-4 等封装创新，逐步提高了开关性能，这彰显了安森美致力于优化 MOSFET 设计的承诺。M3S 产品组合以低 RDS(on)和出色的开关性能而闻名，在车载充电器和 DC-DC 转换器等成本敏感型市场中占据领先技术地位。

　　特性分析结果表明，M3S 与安森美前几代产品的性能优于竞争产品，开关损耗降低 31-42%，总开关损耗降低 35%。M3S的输出和反向电容较低，有助于加快开关速度，也因此成为了图腾柱 PFC 转换器等硬开关拓扑和 LLC 转换器等软开关拓扑的理想选择。此外，M3S SiC MOSFET 表现出优异的反向恢复性能，与竞争产品相比，恢复电荷和能量显著降低，进一步提高了系统能效。

　　随着电动汽车系统对功率密度、能效和热性能的要求不断提高，M3S 技术解决了行业面临的关键挑战。搭配全面的产品组合，安森美M3S MOSFET 为高能效电源转换提供了多功能的可靠解决方案。