碳化硅与硅MOSFET在仿真中的4个区别

主要收获

• 当高压和开关损耗在转换器损耗图中占据主导地位时，碳化硅展现出其最显著的仿真优势。
• 在器件对比中，栅极驱动、寄生参数、热限制和时序比材料性能的宣传更重要。
• 转换器的占空比将主要模型之间的差异与最终的器件选择联系起来，因为它决定了每种损耗机制出现的频率。

通过精确的仿真，您可以了解在何种情况下碳化硅MOSFET更胜一筹，而在何种情况下硅功率MOSFET仍是更佳的选择。

在某些应用中，宽禁带器件可将功率转换损耗降低多达90%，这正是碳化硅MOSFET备受关注的原因。但这种表面上的显著优势也暗藏陷阱。简化模型会高估其优势，尤其是当栅极电阻、非线性电容和结发热等因素未被纳入研究范围时。只有在条件匹配的情况下，碳化硅MOSFET与硅MOSFET的对比结果才值得信赖。

碳化硅适用于对损耗限制要求严格的高频转换器

碳化硅MOSFET适用于开关损耗、母线电压和磁路尺寸构成限制的转换器。在电压超过几百伏的硬开关或高频级中，其性能最为出色；而在这些情况下，硅器件在电压与电流重叠期间以及反复电容充电过程中会消耗更多能量。

一个工作频率为 100 kHz 的 800 V 功率因数校正级清晰地展示了这一规律。碳化硅的临界电场强度大约是硅的 10 倍，这使得在相同电压等级下，高压区域可以设计得更薄，电阻也能更低。只有当栅极环路和母线电感能准确反映您实际正在设计的转换器时，这种材料优势才能转化为更低的仿真损耗。

仅凭频率无法决定选择。一款采用软开关技术的650 V逆变器，其可获得的收益可能不如一款采用硬开关技术的400 V升压级。关键问题很简单：开关能量是否在您的损耗图中占据主导地位？如果是，那么采用SiC MOSFET通常能让额外的建模工作物有所值。

在进行任何设备比较之前，应先确保测试条件一致

任何关于碳化硅与硅MOSFET的对比研究，除非电压、电流、栅极驱动、热边界和寄生参数保持一致，否则都会误导你。器件对比失败的最常见原因在于：一个模型使用默认值，而另一个模型反映的是实验台条件。

“匹配输入比选择具体的符号更重要。”

在比较零件之前，请先确定以下五项内容，否则您的损失分析就没什么意义了。

• 对这两个器件，应使用相同的总线电压和电流波形。
• 将栅极驱动器电压和外部栅极电阻设置为相同值。
• 保持回路电感和寄生电阻保持一致。
• 采用相同的散热器和环境温度假设。
• 使死区时间与仿真时间窗口相匹配。

SPS 软件有助于确保这种比较的客观性，因为您可以检查电气和热学假设，而不是将它们隐藏在固定的器件模块中。当几欧姆的栅极电阻或几纳亨的环路电感就决定了结果时，这一点尤为重要。

栅极行为决定了大多数模拟开关损耗结果

栅极特性决定了电流上升的速度、导通和关断过程中电压保持在高电平的时间长度，以及随后的振铃幅度。碳化硅MOSFET在仿真中往往表现得非常出色，直到实际的栅极电阻、米勒平台效应和源极电感导致过渡过程变慢。

一个650 V半桥电路就清楚地说明了这一点。如果为SiC器件配置低栅极电阻和理想驱动器，开关能量会急剧下降。但一旦考虑共源电感、有限的驱动电流以及独立的导通和关断电阻，这一优势就会缩小到实际电路板上所能观察到的水平。

问题并不在于碳化硅的性能不佳。问题在于栅极模型往往过于乐观。快速上升沿会提高 dv/dt，从而推动电流流经米勒电容，并可能干扰另一侧的开关。如果你正在对功率MOSFET进行建模以选择转换器，栅极环路是首先需要重点关注的地方之一。

输出电容可在快速上升沿和下降沿期间转移电压应力

输出电容会影响开关能量、过冲以及每次状态转换过程中必须转移的储能量。碳化硅MOSFET在高电压下通常具有较低的电容，但关键在于其强烈的非线性特性。固定的电容值无法充分反映这种特性。

600 V 的升压支路能凸显这一问题。如果使用小信号表中给定的恒定 Coss 值，仿真得到的漏极电压变化会过于平缓；而如果采用基于能量或电压依赖型的电容模型，则会观察到更陡峭的斜率变化、不同的阻尼器应力，以及更符合实际的关断波形。

这一细节之所以重要，是因为电容损耗在每个周期都会重复出现。它还会与寄生电感共同引发振铃现象，从而影响电压裕量并产生电磁噪声。如果您的转换器使用了钳位网络或依赖零电压开关技术，那么输出电容建模对结果的影响将远大于导通状态电阻的微小变化。

反向恢复波形对硬开关支路中的换相损耗的影响

反向恢复电流决定了电流从一条器件路径转移到另一条路径时会产生多少额外电流。碳化硅器件通常能降低这种损耗，而许多硅MOSFET在硬换流过程中，则需通过本体二极管或辅助二极管付出更大的电荷提取代价。

两级逆变支路便是一个鲜明的例子。在死区时间内，电流通过下支路自由流过；随后上支路开关导通，必须先释放存储的电荷，电压才能平稳上升。如果模型中省略了反向恢复效应，导通尖峰会变小，损耗估算值也会降低，从而导致电流应力看起来比实际情况更温和。

仅凭二极管充电情况无法对这一部分做出判断。死区时间、电流方向和结温都会影响结果。硬开关桥式电路会迅速暴露弱换流行为的缺陷。这就是为什么在侧重导通过程的研究中，硅器件的表现可能看起来不错，但一旦加入完整的过渡物理过程，其表现就会大打折扣。

热极限决定了效率提升能否在满载工况下得以维持

热限制决定了模拟出的效率提升能否在满载条件下维持，因为结温会影响电阻、开关功耗以及安全工作裕度。在理论上温度较低的器件，一旦将脉冲损耗、封装电阻和散热器限制因素纳入同一模型中，往往会变得很热。

安装在共用冷板上的一个 30 kW 转换器就体现了这种风险。在轻载条件下，这两个器件似乎都运行正常。但当将模型推至额定电流并考虑瞬态热阻时，温度较高的开关器件会减速，失去导通裕度，并可能在平均效率数值尚未达到令人担忧的水平之前，就迫使系统进行降额运行。

仅靠稳态热阻在这里是无法提供充分保护的。循环工作、启动浪涌以及各支路负载不均都会导致温度波动，而单一的固定结温值会掩盖这些波动。您需要选择一款在受压状态下仍能保持可靠的器件，因此热网络必须纳入开关分析之中，而非置于其外。

在低压转换器领域，高性能硅MOSFET器件仍具优势

在低压转换器中，高性能的硅MOSFET器件往往更具优势，因为导通损耗、封装寄生参数以及栅极驱动功耗所带来的影响，超过了碳化硅（SiC）在开关性能方面的优势。在48 V、80 V或100 V等电流较大而电压较低的应用中，SiC MOSFET并非必然的最佳选择。

用于电池缓冲的 48 V 双向转换器是一个很好的测试案例。主要损耗可能源于通道电阻、铜走线和死区时间，而非高压开关重叠。一款具有低导通电阻且封装模型完善的现代硅功率 MOSFET，在转换器总损耗方面可优于选型不当的宽禁带器件。

此外，您也不太可能需要那种使碳化硅在较高母线电压下具有吸引力的极端 dv/dt 值。这使得设计重点转向了电流分流、热扩散和封装电感。良好的建模依然重要，只是原因不同了。您需要更多地关注导通和热平衡，而非单纯追求标称开关速度。

转换器的占空比决定了何时适合使用碳化硅MOSFET

占空比能帮助您判断一款碳化硅MOSFET是否值得承担额外的建模工作量和器件成本。长时高电压开关间隔更适合使用碳化硅，而短时低电压开关间隔则更适合使用硅。它将开关物理特性转化为可量化的运行模式，便于您进行比较。

“正确选择功率MOSFET的关键在于电气应力的匹配，而非材料宣传或孤立的数据手册参数。”

在频繁进行硬换流的800 V功率因数校正级中，通常更适合采用SiC MOSFET。而在大部分时间处于导通状态的48 V同步降压转换器中，则通常更适合采用高性能硅MOSFET。占空比将这四个决定性的仿真差异联系起来，因为它决定了栅极电荷、输出电容、反向恢复和热效应实际产生影响的频率。

当您需要将决策建立在透明的模型之上，而非仅凭乐观的假设时，SPS SOFTWARE正是理想之选。如果您能够检查同一工作点下的栅极路径、电容曲线和热网络，那么碳化硅的选择就将成为一种经过测算的工程决策，而非单纯的材料偏好。