使用反向并聯(lián)的肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)可以提高碳化硅MOSFET在電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的性能和可靠性。本文將展示兩家SiC器件制造商在集成SBD與MOSFET為單芯片解決方案方面所取得的進(jìn)展。

SiC肖特基二極管

SiC肖特基二極管相較于標(biāo)準(zhǔn)的硅p/n二極管提供了許多優(yōu)勢(shì)。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是缺乏反向恢復(fù)損失，這種損失在p/n二極管中尤為顯著，特別是在高溫、快速切換和高電流應(yīng)用中。除了增加的切換損失之外，反向恢復(fù)還會(huì)因?yàn)榻Y(jié)中存在多余的少數(shù)載流子而導(dǎo)致電壓過沖，這對(duì)雜散電感和電磁干擾(EMI)濾波造成限制。

這些二極管的結(jié)構(gòu)基本上是一個(gè)輕摻雜的n–層位于一個(gè)重?fù)诫s的n+層之上。施加在n–層上的陽極金屬接觸用于形成肖特基結(jié)，典型的開啟正向電壓降約為1伏。商業(yè)上可獲得的SiC肖特基二極管的電壓等級(jí)高達(dá)3.3千伏，可以成為高壓電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中硅IGBT充電二極管的首選。

SiC MOSFET的體二極管在典型情況下開啟電壓超過2.5伏，多個(gè)制造商的數(shù)據(jù)表列出了在額定的第三象限電流下正向電壓降接近4伏。這種高電壓降直接導(dǎo)致在自由輪回操作期間的導(dǎo)通損失增加。此外，雖然SiC MOSFET的體二極管得益于較小的載流子壽命，因而相較于硅p/n二極管具有更低的反向恢復(fù)電荷，但這些反向恢復(fù)損失在高溫快速切換操作下可能占總切換損失的顯著部分。

存在于SiC基片和外延層中的基面缺陷可能導(dǎo)致體二極管導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)堆垛缺陷。這可能隨著時(shí)間的推移降低二極管的性能，最終導(dǎo)致器件失效。這一潛在的可靠性失效機(jī)制在厚外延層的高壓器件中可能會(huì)被放大。

SiC MOSFET的體二極管開啟時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù)，即在高溫下導(dǎo)通更強(qiáng)。這可能對(duì)第三象限導(dǎo)通下的并行操作產(chǎn)生限制，因?yàn)闊崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)更高。

使用反向并聯(lián)的SiC肖特基二極管克服了上述SiC MOSFET體二極管的限制。其使用的好處通常體現(xiàn)在導(dǎo)通和切換損失的減少。由于SBD的低開啟電壓，死區(qū)時(shí)間控制也可以更優(yōu)化、更容易地完成，而開啟導(dǎo)通的正溫度系數(shù)使其更容易并聯(lián)。切換損失的改善伴隨著警告，在某些條件下，SBD的附加非線性電容實(shí)際上可能增加切換損失，尤其是在輕負(fù)載條件下。

在使用SiC MOSFET的轉(zhuǎn)換器中，反向并聯(lián)SBD的一個(gè)主要限制是這些器件的突發(fā)電流能力較低。這是由于這些單極器件的差動(dòng)導(dǎo)通電阻顯著較高。相比之下，體二極管中的導(dǎo)電調(diào)制導(dǎo)致在高電流下的差動(dòng)電阻較低。這種效應(yīng)在高溫下可能被放大。雖然使用與SBD結(jié)合的p/n結(jié)(例如在合并的PiN肖特基二極管中)可以緩解這個(gè)問題，但額外的芯片、封裝和組裝成本則是另一個(gè)缺點(diǎn)。

接下來，我們將討論兩家SiC制造商提出的集成MOSFET/SBD器件的解決方案，以應(yīng)對(duì)上述限制。

集成MOSFET/SBD

東京電子(Toshiba)最近宣布正在進(jìn)行帶有嵌入式SBD的1200V SiC MOSFET的芯片采樣。新的X5M007E120器件針對(duì)的是電動(dòng)汽車牽引逆變器應(yīng)用。該器件在25°C時(shí)的典型導(dǎo)通電阻為7.2毫歐。在175°C、50A電流下，由于SBD的存在，第三象限電壓降僅為1.40V?？捎糜谌菁{SBD的寶貴MOSFET通道面積可能會(huì)降低器件的特定導(dǎo)通電阻指標(biāo)(RDS(on) × 芯片面積)。通過將SBD以交錯(cuò)模式排列，該指標(biāo)改善了20%至30%。該模式如圖1所示。

這種交錯(cuò)模式的通道密度提高允許在MOSFET內(nèi)部嵌入的SBD中達(dá)到約兩倍于條紋版本的單極反向電流密度。如圖2所示，所實(shí)現(xiàn)的特定電阻為0.27Ω-mm2，甚至在標(biāo)準(zhǔn)的1200V(即非嵌入SBD的)平面SiC MOSFET中也是一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)字。

短路耐受能力是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電力電子的關(guān)鍵指標(biāo)。硅IGBT具有非常強(qiáng)的短路耐受時(shí)間(SCWT)，在10微秒范圍內(nèi)。SiC MOSFET在過去幾年已經(jīng)在SCWT方面取得了許多改進(jìn)。東京電子采用了深p井結(jié)構(gòu)來改善這一指標(biāo)。SCWT與器件的特定導(dǎo)通電阻成反比，低阻抗結(jié)構(gòu)可能需要快速感應(yīng)以在活躍功率器件的短SCWT時(shí)間之前觸發(fā)柵極驅(qū)動(dòng)器。如圖3所示，使用深p井屏障改善了這一權(quán)衡。

現(xiàn)在讓我們來看一下在嵌入式SiC SBD-MOSFET器件中的突發(fā)行為的改善。2023年，三菱電機(jī)公司宣布了一款3.3 kV/800 A的SiC半橋功率模塊FMF800DC-66 BEW。今年還推出了400 A和200 A版本。Unifull系列產(chǎn)品包括嵌入式SBD器件，以提高性能。這些模塊針對(duì)大型工業(yè)設(shè)備、鐵路牽引系統(tǒng)、電力生產(chǎn)和分配基礎(chǔ)設(shè)施等。對(duì)這些模塊的一個(gè)關(guān)鍵改進(jìn)是即使在存在SBD結(jié)構(gòu)的情況下也能處理突發(fā)電流。

在一個(gè)含有SBD的并聯(lián)芯片連接模塊中，制造過程中的輕微尺寸變化可能導(dǎo)致突發(fā)電流集中在特定芯片上。這些小變化在制造過程中是不可避免的。例如，如果圍繞SBD n–陽極層的p層寬度在一個(gè)芯片上稍大于其他芯片，可能導(dǎo)致p/n體二極管的突發(fā)電流優(yōu)先發(fā)生在該芯片上。這可能造成熱失控并損壞該特定芯片，從而影響整個(gè)模塊。三菱實(shí)施的一個(gè)解決方案是從每個(gè)芯片內(nèi)的單元格中移除SBD。這個(gè)單元格可以占據(jù)總芯片的非常小的百分比——例如1%。因此，對(duì)整體第三象限SBD導(dǎo)通的影響并不大。每個(gè)芯片上的這個(gè)特定單元格允許優(yōu)先的突發(fā)起始電流在所有芯片的位置同時(shí)發(fā)生。由于突發(fā)的開始減少了周圍SiC單元格的電阻(載流子擴(kuò)散降低了漂移電阻，而更高的溫度導(dǎo)致p/n二極管導(dǎo)通的負(fù)溫度系數(shù))，它也觸發(fā)了這些相鄰單元格的突發(fā)，形成了連鎖反應(yīng)。

新的芯片結(jié)構(gòu)使突發(fā)能力比標(biāo)準(zhǔn)SiC嵌入結(jié)構(gòu)提高了5倍，達(dá)到了傳統(tǒng)硅功率模塊所獲得的水平。