功率轉(zhuǎn)換器中越來越多地使用碳化硅（SiC）晶體管，這對尺寸，重量和/或效率提出了很高的要求。與雙極IGBT器件相反，SiC出色的材料性能使它可以設(shè)計快速開關(guān)的單極器件。因此，現(xiàn)在僅在低壓環(huán)境（<600 V）下才可能使用的解決方案現(xiàn)在也可以在更高的電壓下使用。結(jié)果是最高的效率，更高的開關(guān)頻率，更少的散熱和節(jié)省空間–這些優(yōu)點反過來又可以導(dǎo)致總體成本降低。

同時，MOSFET已成為公認(rèn)的選擇概念。最初，JFET結(jié)構(gòu)似乎是合并SiC晶體管的性能和可靠性的最終選擇。然而，利用現(xiàn)在建立的150mm晶圓技術(shù)，基于溝槽的SiC MOSFET也變得可行，因此，現(xiàn)在可以解決具有性能或高可靠性的DMOS難題。

SiC簡介

基于寬帶隙的功率器件，例如SiC二極管和晶體管，或GaNHEMT（高電子遷移率晶體管），已成為當(dāng)今電力電子設(shè)計人員中的重要元素。但是，與硅相比，SiC的魅力何在？有什么特點使SiC組件如此誘人，以至于盡管與硅高壓器件相比成本較高，但它們?nèi)员活l繁使用？

在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，人們一直在努力減少功率轉(zhuǎn)換期間的能量損失。現(xiàn)代系統(tǒng)基于與無源元件結(jié)合使用來打開和關(guān)閉固態(tài)晶體管的技術(shù)。對于與所使用的晶體管有關(guān)的損耗，有幾個方面是相關(guān)的。一方面，必須考慮傳導(dǎo)階段的損耗。在MOSFET中，它們是由經(jīng)典電阻定義的。在IGBT中，存在一個固定的傳導(dǎo)損耗確定器，其形式為拐點電壓（Vce_sat）加上輸出特性的差分電阻。通常可以忽略阻塞階段的損失。

但是，在切換過程中，導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間始終存在過渡階段。相關(guān)的損耗主要由器件的電容來確定。對于IGBT，由于少數(shù)載流子動態(tài)特性（導(dǎo)通峰值，尾電流），進(jìn)一步的貢獻(xiàn)到位了?；谶@些考慮，人們會期望選擇的器件始終是MOSFET，但是，特別是對于高電壓，硅MOSFET的電阻變得如此之高，以致總損耗平衡不如可以使用電荷調(diào)制的IGBT。通過少數(shù)載流子來降低導(dǎo)通模式下的電阻。圖1以圖形方式總結(jié)了這種情況。

圖1：MOSFET（HV表示與IGBT – 1200 V及更高的阻斷電壓類似）之間的開關(guān)過程（左，假設(shè)dv / dt相同）和靜態(tài)IV行為（右）的比較

當(dāng)考慮寬帶隙半導(dǎo)體時，情況會發(fā)生變化。圖2總結(jié)了SiC和GaN與硅相比最重要的物理性能。重要的是，帶隙與半導(dǎo)體的臨界電場之間存在直接的相關(guān)性。就SiC而言，它比硅高約10倍。

圖2：功率半導(dǎo)體材料重要物理性能的比較

借助此功能，高壓設(shè)備的設(shè)計有所不同。圖3以5 kV半導(dǎo)體器件為例顯示了影響。在硅的情況下，由于中等的內(nèi)部擊穿電場，人們不得不使用相對較厚的有源區(qū)。另外，在有源區(qū)中只能摻入少量摻雜劑，從而導(dǎo)致高串聯(lián)電阻（如圖1所示）。

圖3：5 kV功率器件的尺寸－硅和SiC之間的差異

由于其在SiC中的擊穿場高10倍，因此可以使有源區(qū)更薄，同時可以并入更多自由載流子，因此導(dǎo)電率大大提高。可以說，在SiC的情況下，快速開關(guān)單極器件（例如MOSFET或肖特基二極管）與較慢的雙極結(jié)構(gòu)（例如IGBT和pn二極管）之間的轉(zhuǎn)換現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了更高的阻斷電壓（見圖4）。或者，現(xiàn)在，對于1200 V器件，SiC也可以在50 V左右的低壓區(qū)域使用硅。

英飛凌在25年前就發(fā)現(xiàn)了這種潛力，并成立了一個專家團(tuán)隊來開發(fā)這項技術(shù)。沿途發(fā)展的里程碑是2001年在全球范圍內(nèi)首次推出基于SiC的肖特基二極管，在2006年首次推出了包含SiC的功率模塊，而在最近的2017年，菲拉赫創(chuàng)新工廠全面轉(zhuǎn)換了150 mm晶圓技術(shù)，這是與之相關(guān)的。全球最具創(chuàng)新性的Trench CoolSiC?MOSFET的首次亮相。

圖4：高電壓的器件概念，硅和SiC之間的比較

現(xiàn)代功率器件領(lǐng)域的SiC MOSFET

如前一段所述，如今，SiC MOSFET大部分用于以IGBT為主導(dǎo)組件的區(qū)域。圖5總結(jié)了SiC MOSFET與IGBT相比的主要優(yōu)勢。尤其是在部分負(fù)載下，由于線性輸出特性，與拐點電壓下的IGBT情況相反，導(dǎo)通損耗可能大大降低。此外，從理論上講，可以通過使用較大的器件面積將傳導(dǎo)損耗減小到無窮小數(shù)量。對于IGBT，這是排除在外的。

關(guān)于開關(guān)損耗，在導(dǎo)通模式下缺少少數(shù)載流子可消除尾電流，因此可能產(chǎn)生非常小的關(guān)斷損耗。與IGBT相比，導(dǎo)通損耗也降低了，這主要是由于導(dǎo)通電流峰值較小。兩種損耗類型均未顯示溫度升高。但是，與IGBT相比，導(dǎo)通損耗占優(yōu)勢，而關(guān)斷損耗卻很小，這通常與IGBT相反。最后，由于垂直MOSFET結(jié)構(gòu)本身包含一個強(qiáng)大的體二極管，因此不需要額外的續(xù)流二極管。該體二極管基于pn二極管，在SiC的情況下，其拐點電壓約為3V。

有人可能會說，在這種情況下，二極管模式下的導(dǎo)通損耗非常高，但是建議（對于低壓硅MOSFET來說，這是最新技術(shù)）在二極管模式下工作，以便使二極管的死區(qū)時間短，在200 ns和500 ns之間進(jìn)行硬切換，對于

英飛凌最近還推出了650 V CoolSiC?MOSFET衍生產(chǎn)品，將在完整的650 V產(chǎn)品組合中進(jìn)行部署。該技術(shù)不僅可以補(bǔ)充這種阻斷電壓等級的IGBT，而且還可以補(bǔ)充成功的CoolMOS?技術(shù)。兩種器件都具有快速切換和共同的線性IV特性。但是，SiC MOSFET可以在硬開關(guān)和高于10 kHz的開關(guān)頻率下使體二極管工作。與超結(jié)器件相比，它們在輸出電容中的電荷要低得多（Qoss）以及更平滑的電容vs.漏極電壓特性。這些功能使SiC MOSFET可以在半橋和CCM圖騰柱等高效橋拓?fù)渲惺褂?，而CoolMOS?器件在不存在或無法防止在導(dǎo)體二極管上進(jìn)行硬換向的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。

這就為SiC和超結(jié)MOSFET在600 V至900 V的電壓等級之間成功共存奠定了基礎(chǔ)。應(yīng)用要求將為設(shè)計人員提供最合適的技術(shù)選擇。

圖5：SiC MOSFET與IGBT相比的優(yōu)勢概述：左動態(tài)損耗，右傳導(dǎo)行為，左上集成二極管

結(jié)論

英飛凌的設(shè)備設(shè)計一向以有益的性價比評估為導(dǎo)向，特別強(qiáng)調(diào)出色的可靠性，這是客戶習(xí)慣于從英飛凌獲得的。英飛凌的SiC溝道MOSFET的概念遵循相同的理念。它結(jié)合了低導(dǎo)通電阻和優(yōu)化的設(shè)計，可防止過多的柵極氧化物場應(yīng)力，并提供與IGBT相似的柵極氧化物可靠性。

英飛凌科技公司的Peter Friedrichs博士

編輯：hfy