【導讀】本白皮書重點介紹 Wolfspeed 專為高功率電子應用而設計的第 4 代碳化矽 (SiC) MOSFET 技術。基於在碳化矽創新領域的傳承，Wolfspeed 定期推出尖端技術解決方案
，重新定義行業基準。在第 4 代發布之前
，第 3 代碳化矽 MOSFET 憑借多項重要設計要素的平衡，已在廣泛用例中得到驗證
，為硬開關應用的全麵性能設定了基準。

簡介

本白皮書重點介紹 Wolfspeed 專為高功率電子應用而設計的第 4 代碳化矽 (SiC) MOSFET 技術。基於在碳化矽創新領域的傳承
，Wolfspeed 定期推出尖端技術解決方案，重新定義行業基準。在第 4 代發布之前，第 3 代碳化矽 MOSFET 憑借多項重要設計要素的平衡，已在廣泛用例中得到驗證
，為硬開關應用的全麵性能設定了基準。

市場上的某些廠商隻關注特定品質因數 (FOM)
，如導通損耗、室溫下的 RDS(on) 或 RDS(on) × Qg，而 Wolfspeed 則采用了一種更為廣泛且綜合的方法。通過同時優化導通損耗、開關性能、穩定性和可靠性

，Wolfspeed 的設計理念可確保全方位的性能。第 4 代 MOSFET 延續了 這一設計理念，全麵提升了各項指標，在保持 Wolfspeed 引以為傲的堅固耐用的同時，簡化了係統設計，提高了易用性。

第 4 代 MOSFET 主要麵向高功率汽車、工業和可再生能源係統，為碳化矽技術帶來了新的範式。此類器件為產品開發的長期路線圖提供了靈活的基礎，包括應用優化的裸芯片、模塊和分立式產品等。基於第 4 代技術的每項設計都關注三個性能向量：整體係統效率；卓越的耐久性
；較低係統成本。所有這些特性都旨在助力設計人員實現前所未有的性能和價值。

性能效率提升

導通損耗的重要性

盡可能減少導通損耗，對於電動汽車 (EV) 中的牽引逆變器、工業電機驅動器以及人工智能 (AI) 服fu務wu器qi電dian源yuan等deng關guan鍵jian應ying用yong至zhi關guan重zhong要yao。這zhe些xie係xi統tong在zai寬kuan負fu載zai範fan圍wei內nei運yun行xing，通tong常chang會hui在zai低di功gong率lv水shui平ping下xia運yun行xing較jiao長chang時shi間jian。減jian少shao導dao通tong損sun耗hao可ke提ti高gao整zheng個ge負fu載zai範fan圍wei內nei的de效xiao率lv，從cong而er延yan長chang電dian動dong汽qi車che的de續xu航hang裏li程cheng

，提ti高gao HVAC 係統的能效評級

，節約服務器集群的冷卻成本（因為減少了散熱需求）。

此外
，較低的導通損耗還可優化半導體材料的使用
，提高給定應用的功率水平或降低其材料成本，同時實現效率和成本的雙重效益。

硬開關應用

在硬開關應用（如工業電機驅動器、AI 數據中心電源以及並網係統的有源前端 (AFE) 轉換器）中，減少開關損耗至關重要。

此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)在(zai)不(bu)同(tong)負(fu)載(zai)下(xia)運(yun)行(xing)。它(ta)們(men)有(you)時(shi)會(hui)在(zai)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)以(yi)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)運(yun)行(xing)，但(dan)在(zai)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)裏(li)都(dou)處(chu)於(yu)較(jiao)低(di)的(de)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)。從(cong)效(xiao)率(lv)視(shi)角(jiao)來(lai)看(kan)
，最(zui)大(da)限(xian)度(du)減(jian)少(shao)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)有(you)助(zhu)於(yu)提(ti)高(gao)整(zheng)個(ge)負(fu)載(zai)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)效(xiao)率(lv)。例(li)如(ru)，在(zai)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)中(zhong)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)同(tong)樣(yang)的(de)電(dian)池(chi)可(ke)實(shi)現(xian)更(geng)長(chang)的(de)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)或(huo)續(xu)航(hang)時(shi)間(jian)。

減少開關損耗有兩大優勢。首先
，客戶可以提高開關頻率

，從而實現更小、更輕、更(geng)具(ju)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)的(de)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)和(he)電(dian)容(rong)器(qi)。其(qi)次(ci)
，客(ke)戶(hu)還(hai)可(ke)通(tong)過(guo)減(jian)少(shao)散(san)熱(re)來(lai)優(you)先(xian)提(ti)升(sheng)效(xiao)率(lv)，並(bing)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)更(geng)小(xiao)的(de)散(san)熱(re)器(qi)或(huo)更(geng)低(di)的(de)冷(leng)卻(que)需(xu)求(qiu)來(lai)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)級(ji)成(cheng)本(ben)。以(yi)上(shang)優(you)勢(shi)並(bing)不(bu)相(xiang)互(hu)排(pai)斥(chi)，客(ke)戶(hu)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)其(qi)特(te)定(ding)需(xu)求(qiu)靈(ling)活(huo)地(di)優(you)化(hua)設(she)計(ji)。

*閱讀應用說明，進一步了解如何測量開關和導通損耗。

在圖 1 所示的 3 級直流快速充電機中，AFE 將轉換器連接到電網。它將電網電壓轉換為穩定的直流鏈路電壓，用於給電池充電。與體積更大、效率較低的 IGBT 相比，碳化矽分立器件和功率模塊可減少損耗並提高效率
，因為它們能夠在更高的頻率和溫度下工作，同時減少了散熱需求。

圖1：3 級直流快速充電機的簡圖

第 3 代 MOSFET 與第 4 代 MOSFET 性能對比

在所有電力電子應用中，無論是硬開關還是軟開關，最大限度減少導通損耗都很重要。導通損耗主要取決於功率 MOSFET 的導通電阻(RDS(on))，而該導通電阻則與應用所需的電流水平和由此產生的結溫有關。在滿額定負載電流下，MOSFET 的工作溫度通常接近其最高額定工作溫度（或因設計裕度而略低）。MOSFET 的型號選擇和最終的係統半導體 BOM 成本由該高溫 RDS(on) 決定。Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 在高溫下的導通電阻可降低高達 21%，而在較低溫度下，該電阻降低幅度更大。在電流水平和結溫較低的輕負載下，RDS(on) 隨溫度的降低直接提高了係統效率
，並延長了工作壽命。

為了說明第 4 代 MOSFET 在開關損耗和易用性方麵的改進，應考慮半橋開關事件的波形。在第 3 代器件所具有的出色性能和可靠性基礎上
，Wolfspeed 第 4 代 MOSFET 通過改進提高了開關速度並減少了電壓過衝，這得益於體二極管性能的提升和設計的優化。第 4 代器件的這些改進建立在第 3 代的強大基礎之上，確保了在產品組合過渡期間，即便是在要求嚴苛的應用中
，也能保持一貫的卓越表現。

圖 2 和圖 3 顯示了 1200 V 第 4 代器件與第 3 代等效器件在動態開關性能方麵的對比。調整柵極電阻值，以便在導通期間提供匹配的 di/dt，在關斷期間提供匹配的 dv/dt。第 4 代器件能夠實現更快的開關速度
，這裏僅展示了一種比較器件性能的保守方法。

在導通過程中，另一個 MOSFET 的體二極管會換向關斷，導致反向恢複電流通過體二極管流入正在導通的 MOSFET。改進的第 4 代體二極管行為在導通電流波形中表現得非常明顯，其電流恢複速度更快，從而顯著降低了開通損耗。此外，第 4 代器件的軟體二極管性能導致開關動作時的振鈴減少
，可降低係統噪聲並提高 EMI 性能。兩代器件的關斷表現相似，可實現低損耗和低 EMI。

圖2：第 3 代和第 4 代 MOSFET 的導通波形對比

圖3：第 3 代和第 4 代 MOSFET 的關斷波形對比

改進的體二極管性能以及由此提升的開通性能可大幅降低第 4 代器件的開關損耗。在許多情況下，開關損耗的降低幅度甚至更大，因為第 4 代器件可在更高的 di/dt 水平下工作，同時在反向恢複過程中不會超出 VDS 安全工作區。

在相同條件下工作時，第 4 代器件的反向恢複過程更為平緩，從而降低了 di/dt 並顯著減少了電壓過衝（約 900 V

，降幅達 75%）。

這種改進使得器件在 1,200 V 的額定電壓下擁有 300 V 的裕量
，從而提高了安全係數和穩健性。客戶可通過現有封裝實現更快的開關速度
，或者通過高級封裝解決方案（如 Wolfspeed 的定製功率模塊）來獲得更高性能。

圖 4 顯示了 Wolfspeed 第 3 代 21 mΩ MOSFET 與第 4 代 25 mΩ 器件之間的損耗。當匹配開通 di/dt 和關斷 dV/dt 時，在額定電流下可實現 27% 的 ESW 降低。某些第 4 代 MOSFET 可通過采用更低的 Rg 值來進一步改善開關損耗。

 圖 4：第 3 代和第 4 代的開關損耗對比

第 4 代技術提高了硬開關應用的性能，使得 EON 和 EOFF 的降幅高達 15%，同時也減少了軟開關和硬開關應用中的導通損耗
，使工作溫度下的 RSP 降低高達 21%（在 175 °C 下的 RDS(on) 表現優異）。

減少 EMI 設計挑戰

從圖 2 的對比中可以看出，第 4 代 MOSFET 的另一個優勢在於減少了反向恢複後的振蕩和振鈴。與第 3 代相比
，第 4 代 MOSFET 的波形更為平滑
，最大限度地減少了共模電壓和輻射發射
，簡化了電磁幹擾 (EMI) 濾波器設計。

* 進一步了解實現 EMI 合規性的設計捷徑。

降低波形噪聲可簡化需要高速開關的係統的開發
，同時應對 EMI 挑戰。對於從第 3 代向上升級的客戶，第 4 代提供了一條便捷的升級路徑，在波形行為和係統設計靈活性方麵都有顯著提升。

專為應對嚴苛的環境而設計

宇宙射線可靠性

高海拔應用（如在山區行駛的電動汽車或飛機）會麵臨由宇宙射線引發的單粒子燒毀風險。這些事件由中子通量（每單位時間撞擊半導體的中子數）引起
，可產生漏源電流 (IDS)，進而可能引發不良後果。

第 4 代 MOSFET 采用增強的抗擾度設計
，與前幾代相比，宇宙射線失效率 (FIT) 可降低 100 倍。這種可靠性提升減少了對過度電壓降額的需求，使得係統設計更加高效。此外
，它們還能夠承受過載和過應力事件。Wolfspeed 芯片產品組合經過認證
，可在 185 °C 下持續運行，並能在 200 °C 下進行有限壽命的運行。

短路耐受時間

短路耐受時間是電機驅動器和牽引係統的關鍵參數
，可確保在發生故障時安全關閉。第 4 代技術支持高達 2.3 微秒的耐受時間，可與現有的柵極驅動器技術兼容

，且不會影響 RDS(on) 性能。第 4 代 MOSFET 兼具穩健性和效率，是要求嚴苛應用之理想選擇。

這些特性擴展了安全工作區 (SOA)，可確保穩健的性能。設計人員在設計時能減少半導體使用


，從而降低成本，同時不影響安全性。

高頻率軟開關應用

軟開關應用（如用於車載充電機和工業電源第二階段的超高頻 DC-DC 轉換器）的(de)設(she)計(ji)與(yu)硬(ying)開(kai)關(guan)前(qian)端(duan)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)。開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)在(zai)此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)中(zhong)被(bei)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)甚(shen)至(zhi)消(xiao)除(chu)，因(yin)此(ci)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)成(cheng)為(wei)主(zhu)要(yao)的(de)剩(sheng)餘(yu)損(sun)耗(hao)。通(tong)常(chang)，前(qian)端(duan)有(you)一(yi)個(ge)硬(ying)開(kai)關(guan)的(de)有(you)源(yuan)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng) (PFC) 階段，之後是一個軟開關的 DC-DC 轉換器階段。

該轉換器階段通常采用 LLC、CLLC
、移相全橋或雙有源橋等拓撲結構。在此類設計中
，開關損耗不太重要
，盡管組件仍需承受高 di/dt 和 dv/dt 應力，並處理高諧振電路電流。

軟開關應用的主要優勢在於減少因 RSP 改進而降低的導通損耗。這種導通損耗的降低適用於整個負載曲線

，對於有能效要求（如能源之星 Energy Star 標準）的應用尤其有益。其中許多電源必須符合要求在不同負載水平下實現高效率的法規
，例如，滿足服務器電源的 80 Plus 鈦金級能效水平。

係統成本和開發時間優勢

Wolfspeed 的第 4 代碳化矽 MOSFET 在降低係統成本和加快開發時間方麵具有顯著優勢。通過提升導通和開關頻率，這些器件使工程師能夠設計出具有更小
、更輕
、更便宜組件的係統
，如散熱器、EMI 濾波器和磁性元件。

得益於出色的 RSP 性能，在相同麵積內可實現高達 30% 的功率輸出，從而在不增加額外空間的情況下提升功率密度。

增zeng強qiang的de穩wen健jian性xing和he可ke靠kao性xing，包bao括kuo降jiang低di對dui宇yu宙zhou射she線xian等deng環huan境jing因yin素su的de敏min感gan性xing，使shi設she計ji人ren員yuan能neng夠gou使shi用yong更geng小xiao的de安an全quan裕yu度du
，從cong而er進jin一yi步bu最zui大da程cheng度du減jian少shao所suo需xu的de半ban導dao體ti材cai料liao。此ci外wai，第di 4 代 MOSFET 的即插即用式兼容性讓現有用戶能夠輕鬆升級，減少了重新設計的工作量。

如圖 5 所示
，第 4 代器件的體二極管軟度因子提高了 3.5 倍：MOSFET 在反向恢複場景中可有效將 EMI 降至最低，實現了更平穩的運行，而無需對 QRR 權衡取舍。即使在高 dv/dt 下，開關操作也能既安全又簡潔
，這得益於高達 600:1 的(de)電(dian)容(rong)比(bi)，它(ta)消(xiao)除(chu)了(le)寄(ji)生(sheng)過(guo)衝(chong)的(de)風(feng)險(xian)，並(bing)確(que)保(bao)了(le)在(zai)苛(ke)刻(ke)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)可(ke)靠(kao)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)改(gai)進(jin)相(xiang)結(jie)合(he)，使(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)在(zai)更(geng)短(duan)的(de)設(she)計(ji)時(shi)間(jian)內(nei)實(shi)現(xian)優(you)化(hua)的(de)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)
，同(tong)時(shi)滿(man)足(zu)嚴(yan)格(ge)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)要(yao)求(qiu)。

圖5：體二極管反向恢複瞬態的技術對比

優化功率封裝以充分發揮第 4 代技術的優勢

Wolfspeed 始終關注客戶需求，致力於通過封裝策略實現係統耐久性、效率和功率密度。先進的封裝進一步提升了第 4 代技術的優勢
，增強了熱管理
，並確保了器件在功率和溫度循環等嚴苛條件下的耐久性。

可顯著提升效率和功率密度的先進封裝

碳化矽器件以其高開關速度和熱性能突破了傳統矽基功率封裝的極限。傳統設計通常受到寄生電感的影響，從而導致電壓過衝
、振蕩和柵極氧化層損壞。這些問題不僅會影響效率，還需要高成本的設計權衡。

專為碳化矽量身定製的先進封裝技術可最大限度地減少功率、柵zha極ji和he共gong源yuan回hui路lu中zhong的de寄ji生sheng電dian感gan，從cong而er提ti高gao效xiao率lv，降jiang低di開kai關guan損sun耗hao，並bing支zhi持chi使shi用yong額e定ding值zhi更geng低di的de碳tan化hua矽gui器qi件jian。雙shuang麵mian冷leng卻que和he緊jin湊cou布bu局ju等deng功gong能neng支zhi持chi高gao功gong率lv應ying用yong、熱控製和更高的開關頻率，從而充分發揮碳化矽在可靠且節能係統中的潛力。

最zui大da限xian度du地di減jian少shao功gong率lv模mo塊kuai中zhong的de電dian感gan可ke以yi減jian少shao電dian壓ya振zhen蕩dang，實shi現xian簡jian潔jie的de開kai關guan操cao作zuo和he更geng高gao的de效xiao率lv。內nei部bu母mu線xian和he夾jia子zi附fu件jian等deng創chuang新xin技ji術shu將jiang電dian感gan降jiang低di至zhi 5 納亨的水平，進一步降低了開關損耗並提升了係統穩定性。

可提高係統可靠性和耐久性的先進封裝

創新的互連方法對於提升功率模塊性能至關重要。傳統的引線鍵合封裝技術被頂部夾式互連等先進技術所取代

，新技術可降低電阻、改進熱管理並增強機械可靠性。銅夾直接焊接或燒結到芯片上，可改善功率流和連接強度。

yinshaojieshiyizhongzuixianjindexinpianzhanjiejishu
，kezaixinpianhedanhuaguidengjibanzhijianxingchenglaogudelianjie，quebaochusededaorexinghejixienaijiuxing。zhezhongfangfayuelaiyueduodiyongyuxuyaogaogonglvherexunhuanxingnengdeyingyongzhong。

隨著功率密度的增加，有效的熱管理至關重要。直接冷卻解決方案，如翅片浸沒在冷卻劑中的 pin-fin 設計（見圖 4），可有效幫助芯片散熱。這些方法使碳化矽器件能夠在高溫下保持高性能，尤其是在汽車係統中。

*進一步了解壓接式引腳的係統設計優勢

可靠性對汽車功率模塊至關重要
，這些模塊必須滿足 AEC-Q101 和 AQG324 等(deng)嚴(yan)格(ge)標(biao)準(zhun)。先(xian)進(jin)的(de)材(cai)料(liao)和(he)工(gong)藝(yi)可(ke)解(jie)決(jue)水(shui)分(fen)滲(shen)透(tou)和(he)引(yin)線(xian)鍵(jian)合(he)退(tui)化(hua)等(deng)故(gu)障(zhang)機(ji)製(zhi)。例(li)如(ru)
，環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)模(mo)塑(su)化(hua)合(he)物(wu)正(zheng)在(zai)取(qu)代(dai)凝(ning)膠(jiao)基(ji)封(feng)裝(zhuang)材(cai)料(liao)，提(ti)供(gong)優(you)異(yi)的(de)防(fang)潮(chao)性(xing)和(he)結(jie)構(gou)完(wan)整(zheng)性(xing)。增(zeng)強(qiang)型(xing)壓(ya)接(jie)式(shi)引(yin)腳(jiao)技(ji)術(shu)支(zhi)持(chi)更(geng)高(gao)的(de) PCB 連接電流容量，適用於緊湊型和高功率設計。

圖 6：Wolfspeed 的 YM 和 XM 模塊平台采用 pin-fin 封裝技術

關鍵要點和結論

新推出的第 4 代碳化矽技術在導通損耗、開關性能和耐久性取得了平衡，標誌著電力電子領域向前邁出了重要一步。與其他專注於室溫下的 RDS(on) 等有限指標的廠商不同，Wolfspeed 優先考慮在實際工作條件下實現最大的電路內價值。新平台將為係統優化功率模塊
、分立器件和裸芯片產品的長期發展奠定基礎
，並將惠及電動汽車、工業電機驅動器
、AI 服務器電源
、可再生能源係統和航空電子設備等行業。

在電動汽車中，較低的導通損耗可延長電池續航裏程，而在工業電機驅動器中，更高的效率可降低能源消耗和冷卻成本。

在zai電dian機ji驅qu動dong器qi和he電dian網wang電dian源yuan轉zhuan換huan器qi等deng硬ying開kai關guan應ying用yong中zhong，改gai進jin的de開kai關guan特te性xing提ti升sheng了le開kai關guan頻pin率lv或huo效xiao率lv，從cong而er減jian小xiao了le係xi統tong尺chi寸cun和he成cheng本ben。較jiao低di的de開kai關guan損sun耗hao也ye簡jian化hua了le熱re管guan理li，且qie支zhi持chi緊jin湊cou設she計ji。增zeng強qiang的de反fan向xiang恢hui複fu降jiang低di了le EMI，簡化了濾波器設計和一致性測試，同時還可應對宇宙射線引起的單粒子燒毀等可靠性挑戰。

第 4 代 MOSFET 具有 2 微秒的短路耐受時間，可確保故障期間的安全運行
，並與現有柵極驅動器技術兼容。在高頻率 DC-DC 轉換器等軟開關應用中
，減少導通損耗可提高符合 80 Plus 鈦金級標準的係統（如 AI 服務器電源）的效率。可再生能源係統受益於更高的效率和靈活的熱管理，可減少維護工作並增強可靠性。

航空電子設備和 eVTOL 飛機等新興應用十分依賴 MOSFET 的緊湊性、效率和強大的可靠性。第 4 代器件專為靈活集成而設計
，設計人員能夠根據不同的市場需求優化性能或可靠性
，同時確保出色的結果。

從設計之初，第 4 代就定位於先進的 200 mm技術。Wolfspeed 建立了全球首個也是規模最大的 200 mm 碳化矽製造工廠。憑借技術先進的晶圓製造工廠，Wolfspeed 站在全行業從矽基向碳化矽基半導體轉型的前沿，有望顯著提升下一代技術的能效和性能。

（來源：Wolfspeed）

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息

，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

通過單芯片 60GHz 毫米波雷達傳感器
，降低車內傳感的複雜性和成本

Qorvo BMS創新解決方案助力精準SOC和SOH監測
，應對鋰離子電池挑戰

射頻功率收集電路

意法半導體麵向可穿戴設備的無線充電解決方案

利用解決方案供應商的優勢加速自主移動機器人開發