使用反向并聯(lián)的肖特基勢壘二極管(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展。

SiC肖特基二極管

SiC肖特基二極管相較于標準的硅p/n二極管提供了許多優(yōu)勢。一個關(guān)鍵優(yōu)勢是缺乏反向恢復(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)還會因為結(jié)中存在多余的少數(shù)載流子而導致電壓過沖，這對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)基本上是一個輕摻雜的n–層位于一個重摻雜的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高達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致在自由輪回操作期間的導通損失增加。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致體二極管導通時出現(xiàn)堆垛缺陷。這可能隨著時間的推移降低二極管的性能，最終導致器件失效。這一潛在的可靠性失效機制在厚外延層的高壓器件中可能會被放大。

SiC MOSFET的體二極管開啟時具有負溫度系數(shù)，即在高溫下導通更強。這可能對第三象限導通下的并行操作產(chǎn)生限制，因為熱失控的風險更高。

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)在導通和切換損失的減少。由于SBD的低開啟電壓，死區(qū)時間控制也可以更優(yōu)化、更容易地完成，而開啟導通的正溫度系數(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際上可能增加切換損失，尤其是在輕負載條件下。

在使用SiC MOSFET的轉(zhuǎn)換器中，反向并聯(lián)SBD的一個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導通電阻顯著較高。相比之下，體二極管中的導電調(diào)制導致在高電流下的差動電阻較低。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)可以緩解這個問題，但額外的芯片、封裝和組裝成本則是另一個缺點。

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)對上述限制。

集成MOSFET/SBD

東京電子(Toshiba)最近宣布正在進行帶有嵌入式SBD的1200V SiC MOSFET的芯片采樣。新的X5M007E120器件針對的是電動汽車牽引逆變器應(yīng)用。該器件在25°C時的典型導通電阻為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通道面積可能會降低器件的特定導通電阻指標(RDS(on) × 芯片面積)。通過將SBD以交錯模式排列，該指標改善了20%至30%。該模式如圖1所示。

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

短路耐受能力是驅(qū)動電動機的電力電子的關(guān)鍵指標。硅IGBT具有非常強的短路耐受時間(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。東京電子采用了深p井結(jié)構(gòu)來改善這一指標。SCWT與器件的特定導通電阻成反比，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時間之前觸發(fā)柵極驅(qū)動器。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。對這些模塊的一個關(guān)鍵改進是即使在存在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層寬度在一個芯片上稍大于其他芯片，可能導致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，從而影響整個模塊。三菱實施的一個解決方案是從每個芯片內(nèi)的單元格中移除SBD。這個單元格可以占據(jù)總芯片的非常小的百分比——例如1%。因此，對整體第三象限SBD導通的影響并不大。每個芯片上的這個特定單元格允許優(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(載流子擴散降低了漂移電阻，而更高的溫度導致p/n二極管導通的負溫度系數(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)能力比標準SiC嵌入結(jié)構(gòu)提高了5倍，達到了傳統(tǒng)硅功率模塊所獲得的水平。