傾佳電子SiC碳化硅MOSFET開關(guān)行為深度解析，特別是其本征體二極管的關(guān)斷特性

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

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1. 碳化硅（SiC）的基礎(chǔ)優(yōu)勢

傾佳電子首先將深入探討碳化硅（SiC）與傳統(tǒng)硅（Si）器件的根本區(qū)別，這些區(qū)別構(gòu)成了SiC MOSFET卓越開關(guān)性能的物理和材料基礎(chǔ)。理解這些基礎(chǔ)特性是掌握其復(fù)雜動態(tài)行為的先決條件。

1.1 材料科學(xué)：寬禁帶的優(yōu)勢

碳化硅之所以能帶來革命性的性能提升，核心在于其寬禁帶半導(dǎo)體特性。SiC的禁帶能量約為3.26 eV，幾乎是硅（1.12 eV）的三倍，這使其能夠承受更高的能量而不會發(fā)生擊穿 。此外，SiC的擊穿電場強度高達(dá)2至4 MV/cm，比硅高出一個數(shù)量級左右 。這一關(guān)鍵特性使工程師能夠設(shè)計出更薄、摻雜濃度更高的漂移層，從而在給定的耐壓等級下，顯著降低器件的導(dǎo)通電阻( RDS(on)) 。這種直接的物理優(yōu)勢解釋了SiC MOSFET在高壓應(yīng)用中如何實現(xiàn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅器件的導(dǎo)通損耗。

除了電學(xué)性能，SiC還具備卓越的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)約為硅的三倍 。這種優(yōu)越的導(dǎo)熱性使得器件產(chǎn)生的熱量能夠更有效地消散，降低了熱阻，從而允許更緊湊的電路設(shè)計，減少甚至取消龐大的散熱器和復(fù)雜的冷卻系統(tǒng) 。SiC材料的高禁帶能量還使其能夠承受更高的結(jié)溫，通常在175°C至200°C之間穩(wěn)定工作，遠(yuǎn)超硅器件150°C的最高工作溫度限制 。

SiC MOSFET本質(zhì)上是一種單極性多數(shù)載流子器件，這使其能夠?qū)崿F(xiàn)比雙極性導(dǎo)通的Si IGBT快得多的開關(guān)速度 。這種根本性的載流子機制差異是SiC MOSFET實現(xiàn)幾十納秒甚至更短開關(guān)轉(zhuǎn)換時間的核心原因，而相同電壓等級的IGBT則需要幾百納秒甚至微秒的轉(zhuǎn)換時間 。正是這種顯著的開關(guān)速度提升，使得SiC MOSFET的開關(guān)損耗（ E_{on}和E_{off}）大幅降低，從而在給定頻率下實現(xiàn)更高的效率 。

1.2 SiC MOSFET的架構(gòu)與關(guān)鍵電學(xué)特性

SiC MOSFET是一種電壓控制型器件，其導(dǎo)通狀態(tài)下表現(xiàn)出純電阻特性，這與IGBT的導(dǎo)通電壓“膝點”（voltage knee）不同 。這種特性簡化了導(dǎo)通損耗的建模，因為損耗可以簡單地通過I^2 cdot R_{DS(on)}來估算 。此外，商用SiC MOSFET的額定電壓通常在1200 V至1700 V之間，而Si MOSFET通常在900 V處達(dá)到極限 。

SiC器件的柵極電荷（Qg）特性顯著優(yōu)于其硅基同類產(chǎn)品，這使得柵極驅(qū)動損耗更低 。器件的低柵極電荷和電容（特別是輸入電容 C_{iss}和米勒電容C_{gd}）是其實現(xiàn)超快速開關(guān)轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ) 。然而，這種內(nèi)在的高速能力也帶來了一個權(quán)衡：為了充分利用其性能，柵極驅(qū)動電路必須能夠提供非常大、峰值電流高的源/吸電流，并實現(xiàn)納秒級的快速上升和下降沿 。這直接導(dǎo)致了高di/dt和dV/dt，這不僅增加了電磁干擾（EMI）和潛在的電壓過沖，也對系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求 。對于從硅器件過渡到SiC器件的設(shè)計者來說，一個不明顯的但至關(guān)重要的差異是，為了實現(xiàn)與硅器件相同的dV/dt，SiC器件可能需要10到20倍更高的柵極電阻 。

2. SiC MOSFET開關(guān)的核心動態(tài)

本章節(jié)將從材料特性層面轉(zhuǎn)向器件的動態(tài)開關(guān)過程，定義損耗機制并闡述SiC器件獨特的驅(qū)動要求。

2.1 開關(guān)原理與損耗機制

開關(guān)損耗是功率器件在導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換過程中，漏源電壓(VDS)和漏電流(ID)重疊所產(chǎn)生的能量損耗 。導(dǎo)通損耗( Eon)和關(guān)斷損耗(Eoff)分別通過對V_{DS}和I_D在相應(yīng)轉(zhuǎn)換期間的乘積進(jìn)行積分來計算 。在任何高頻應(yīng)用中，開關(guān)損耗都是總功耗的主要組成部分 。

SiC MOSFET之所以能大幅降低開關(guān)損耗，根本原因在于其能夠?qū)崿F(xiàn)極短的轉(zhuǎn)換時間 。這種顯著的提速是其單極性導(dǎo)通機制和較低寄生電容的直接結(jié)果 。更低的開關(guān)損耗又構(gòu)成了一個正向反饋循環(huán)：它允許更高的開關(guān)頻率，這反過來使得電路中的無源元件（如電感和電容）可以做得更小 。最終結(jié)果是更高的功率密度和更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計 。

2.2 柵極驅(qū)動電路的關(guān)鍵作用

SiC MOSFET的柵極驅(qū)動要求非常獨特。為了實現(xiàn)最低的導(dǎo)通電阻，通常需要不對稱的柵極驅(qū)動電壓，例如在導(dǎo)通時為+18 V至+20 V，在關(guān)斷時施加負(fù)偏壓，通常為-2 V至-5 V 。一些器件甚至可以承受+25 V/-10 V的寬電壓擺幅 。

負(fù)柵極電壓在設(shè)計中至關(guān)重要，因為SiC MOSFET的柵極閾值電壓(Vth)非常低，可能低至1 V 。在半橋或橋式拓?fù)渲?，?dāng)對側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時，主開關(guān)的漏源電壓( VDS)會以極高的dV/dt上升。如果沒有負(fù)偏壓，這種dV/dt變化會通過米勒電容（Cgd）在柵極上耦合出正電壓尖峰，這可能導(dǎo)致寄生導(dǎo)通，從而引發(fā)災(zāi)難性的直通故障（shoot-through） 。因此，負(fù)偏壓是確保器件在高速開關(guān)條件下可靠性的必要條件。

為了實現(xiàn)高效、高速的開關(guān)，柵極驅(qū)動電路必須具備極低的輸出阻抗，以能夠提供大的峰值源電流和吸電流，從而快速充放電柵極電容 。此外，柵極電壓的上升和下降沿必須在幾納秒量級，以最大限度地減少開關(guān)損耗 。這在設(shè)計中引入了一個重要的權(quán)衡：盡管高速dV/dt有利于降低開關(guān)損耗，但它也會產(chǎn)生過高的EMI和電壓過沖 。通過增加外部柵極電阻（ Rg），可以“軟化”開關(guān)轉(zhuǎn)換，降低dV/dt和EMI，但代價是開關(guān)損耗的增加 。這種復(fù)雜的權(quán)衡是SiC系統(tǒng)設(shè)計的核心挑戰(zhàn)之一。

3. SiC MOSFET體二極管：形成與正向?qū)?/p>

本節(jié)將介紹SiC MOSFET的本征體二極管，分析其正向?qū)〞r的特性及其對系統(tǒng)性能的影響。

3.1 本征體二極管的形成

MOSFET結(jié)構(gòu)中天然存在一個寄生二極管，通常被稱為體二極管（body diode）或本征二極管（intrinsic diode）。該二極管由P-阱和N-漂移區(qū)之間的PN結(jié)形成 。與SiC JFET不同，SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)中包含了一個內(nèi)置的體二極管 。在SiC器件中，這個寄生二極管是一種PiN二極管結(jié)構(gòu) 。

SiC體二極管的一個顯著缺點是其高正向壓降(VF) 。在SiC MOSFET中，該PN結(jié)二極管的 VF可高達(dá)4.8 V（在VGS = -5 V、IF = 20 A、25°C條件下），這是SiC寬禁帶特性的直接結(jié)果 。如此高的壓降是導(dǎo)致其在導(dǎo)通時產(chǎn)生可觀損耗的主要原因 。

3.2 正向?qū)ㄅc緩解策略

在半橋或全橋拓?fù)渲?，體二極管通常在開關(guān)器件的“死區(qū)時間”（dead time）內(nèi)充當(dāng)續(xù)流二極管，承載電感電流 。由于SiC體二極管的高

VF會帶來顯著的導(dǎo)通損耗，這在許多應(yīng)用中是不可接受的 。

為了緩解這個問題，業(yè)界通常采用兩種主要策略：

同步整流（Synchronous Rectification）：在此模式下，當(dāng)電流需要反向流過時，器件的柵極會被驅(qū)動導(dǎo)通，從而利用低阻抗的MOSFET溝道來分流大部分電流 。這有效地繞過了體二極管，顯著降低了導(dǎo)通損耗。

使用反并聯(lián)肖特基二極管（Anti-parallel Schottky Diode）：一種更常見的方法是使用外部或內(nèi)置的反并聯(lián)SiC肖特基勢壘二極管（SBD）來旁路體二極管 。SiC SBD是一種多數(shù)載流子器件，其正向壓降顯著低于SiC體二極管，通常只有約1.2 V 。

盡管使用SBD可以有效降低導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗 ，但它并非沒有權(quán)衡。SBD的添加會引入額外的非線性電容，這在輕載條件下可能反而會增加開關(guān)損耗 。此外，在芯片內(nèi)部集成SBD還會占用部分MOSFET溝道面積，這可能影響器件的導(dǎo)通電阻和短路耐受能力 。因此，SBD的使用需要根據(jù)具體的應(yīng)用工況進(jìn)行細(xì)致的權(quán)衡。

4. SiC MOSFET體二極管的反向恢復(fù)：關(guān)鍵分析

本章節(jié)是報告的核心，將深入剖析SiC MOSFET體二極管的關(guān)斷行為，并闡述其對系統(tǒng)性能的深遠(yuǎn)影響。

4.1 反向恢復(fù)的物理與指標(biāo)

當(dāng)二極管從正向?qū)顟B(tài)切換到反向阻斷狀態(tài)時，其內(nèi)部存儲的少數(shù)載流子必須被移除，這個過程稱為反向恢復(fù)（reverse recovery） 。移除這些載流子的過程包括兩個現(xiàn)象：一個是通過反向電流( Irr)流出，另一個是內(nèi)部復(fù)合 。這一過程有三個關(guān)鍵指標(biāo)：反向恢復(fù)電荷( Qrr)、峰值反向恢復(fù)電流(Irr)和反向恢復(fù)時間(trr) 。

SiC體二極管的反向恢復(fù)性能之所以卓越，根本原因在于其材料的物理特性：SiC的少數(shù)載流子壽命極短 。這種特性意味著在反向恢復(fù)過程中需要清除的存儲電荷量非常少，從而使得Q_{rr}極低 。這是SiC體二極管相比Si PN結(jié)二極管在動態(tài)性能上取得巨大優(yōu)勢的首要原因。

另一個重要的、且微妙的特性是溫度依賴性。Si MOSFET的Q_{rr}會隨結(jié)溫升高而顯著增加，而SiCMOSFET的Q_{rr}在室溫到175°C的寬泛范圍內(nèi)基本保持溫度不敏感。然而，在更高的溫度下（如超過225°C），載流子壽命可能會急劇增加，從而導(dǎo)致Q_{rr}快速上升 。這個非線性的依賴關(guān)系表明，SiC器件并非完全不受溫度影響，其特性在極端高溫下仍需考慮。

4.2 性能對比與權(quán)衡

將SiC體二極管與Si器件和SiC肖特基二極管進(jìn)行比較，可以更清晰地了解其性能地位。

SiC與Si的比較：SiC體二極管的Q_{rr}比快恢復(fù)的Si超結(jié)MOSFET低92t_{rr}也比普通Si PN結(jié)二極管更快 。許多Si超結(jié)MOSFET具有“陡峭”（snappy）的反向恢復(fù)行為，這會產(chǎn)生劇烈的電壓尖峰和柵極振蕩 。相比之下，SiC體二極管展現(xiàn)出“軟性”（soft）的反向恢復(fù)特性，其dV/dt非常低 。這種軟性恢復(fù)是其在橋式拓?fù)渲杏米骼m(xù)流二極管而無需外部SBD的主要原因之一，因為它能有效避免傳統(tǒng)Si器件的災(zāi)難性恢復(fù)行為 。

SiC體二極管與SiC SBD的比較：專門的SiC SBD具有極低的Qrr（通常小于20 nC），這完全是由結(jié)電容而非存儲電荷所致 。因此，在反向恢復(fù)性能方面，SiC SBD明顯優(yōu)于SiC體二極管 。但值得注意的是，SiC體二極管的反向恢復(fù)性能與SiC JBS（結(jié)勢壘肖特基）二極管相當(dāng) 。

表2：續(xù)流二極管性能比較

4.3 對系統(tǒng)級性能的影響

體二極管的反向恢復(fù)對系統(tǒng)性能的影響是多方面的。

首先，它直接導(dǎo)致了互補開關(guān)的導(dǎo)通能量損耗(Eon)增加 。在半橋電路中，當(dāng)一個開關(guān)導(dǎo)通時，它必須清除另一個開關(guān)體二極管中殘留的存儲電荷。體二極管的反向恢復(fù)電流會疊加到主開關(guān)的導(dǎo)通電流上，導(dǎo)致 ID和V_{DS}的重疊面積增大，從而增加E_{on} 。

其次，反向恢復(fù)過程中高di/dt和dV/dt會導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI問題 。這種高dv/dt和高di/dt與電路中的寄生電感相互作用，會產(chǎn)生高頻振蕩和電壓過沖 。這些振蕩可能通過米勒效應(yīng)（Miller coupling）和寄生源電感耦合到柵極信號，從而引起柵極電壓的寄生振蕩，甚至導(dǎo)致互補開關(guān)的意外導(dǎo)通或損壞 。

最后，死區(qū)時間的選擇與反向恢復(fù)性能密切相關(guān)?？s短死區(qū)時間可以減少體二極管的導(dǎo)通時間，從而降低導(dǎo)通損耗 。在SiC器件中，適當(dāng)縮短死區(qū)時間甚至可以減少存儲電荷，使得反向恢復(fù)過程更“軟” 。然而，如果死區(qū)時間過短，也可能導(dǎo)致意想不到的開關(guān)行為甚至直通故障 。因此，死區(qū)時間是一個需要精心優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)。

5. 穩(wěn)健SiC系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化策略

本節(jié)將基于前文的分析，為工程師提供實用的設(shè)計建議，以充分發(fā)揮SiC技術(shù)的優(yōu)勢并確保系統(tǒng)可靠性。

5.1 柵極驅(qū)動優(yōu)化

柵極驅(qū)動是控制SiC MOSFET開關(guān)行為的關(guān)鍵。如前所述，采用負(fù)柵極關(guān)斷電壓是至關(guān)重要的，它可以有效防止由高dV/dt引起的米勒效應(yīng)誤導(dǎo)通 。盡管研究表明，相比于0V關(guān)斷，使用負(fù)柵極電壓可能會導(dǎo)致更高的峰值反向恢復(fù)電流和電荷 ，但這種為了可靠性而做的權(quán)衡是值得的。因為防止誤導(dǎo)通帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性遠(yuǎn)比反向恢復(fù)的輕微惡化更有價值。

外部柵極電阻(Rg)是用于平衡開關(guān)速度、損耗和EMI的主要工具。增加Rg會降低di/dt和dV/dt，這可以有效減少峰值反向恢復(fù)電流、反向恢復(fù)電荷和互補開關(guān)的導(dǎo)通損耗 。然而，這種“軟化”轉(zhuǎn)換的代價是開關(guān)損耗的增加和開關(guān)時間的延長 。在設(shè)計中，需要根據(jù)應(yīng)用對效率、EMI和可靠性的不同優(yōu)先級，通過優(yōu)化 Rg來找到最佳平衡點 。

表3：設(shè)計參數(shù)對體二極管反向恢復(fù)的影響

5.2 反并聯(lián)二極管的戰(zhàn)略作用

由于SiC體二極管高VF和非零反向恢復(fù)電荷的局限性，使用反并聯(lián)SiC肖特基二極管（SBD）成為一種有效的性能優(yōu)化策略 。SiC SBD具有低正向壓降（~1.2 V），可顯著降低死區(qū)時間內(nèi)的導(dǎo)通損耗 。更重要的是，作為多數(shù)載流子器件，SiC SBD幾乎沒有反向恢復(fù)電荷，這徹底消除了由反向恢復(fù)引起的開關(guān)損耗和EMI 。

然而，這種策略也并非萬能。如前文所述，額外增加的SBD電容在輕載條件下可能導(dǎo)致總開關(guān)損耗增加 。此外，在單片芯片上集成SBD會占用一部分硅片面積，這可能對MOSFET的導(dǎo)通電阻和短路耐受能力產(chǎn)生影響 。因此，在具體設(shè)計中，需要根據(jù)應(yīng)用負(fù)載和頻率特性，權(quán)衡是使用獨立的SBD還是選擇集成了SBD的SiC MOSFET。

5.3 優(yōu)化死區(qū)時間與PWM控制

死區(qū)時間的優(yōu)化是實現(xiàn)SiC系統(tǒng)高效率的另一個關(guān)鍵。由于SiC體二極管的反向恢復(fù)性能遠(yuǎn)超硅器件，其死區(qū)時間可以比Si系統(tǒng)短得多 。這不僅減少了體二極管的導(dǎo)通損耗，也使得更高的開關(guān)頻率成為可能，從而減小了無源元件的尺寸。

研究表明，存在一個特定的死區(qū)時間，可以最大限度地減少導(dǎo)通損耗并增強開關(guān)穩(wěn)定性 。過短的死區(qū)時間必須配合穩(wěn)健的負(fù)柵極偏壓來防止直通 ，而過長的死區(qū)時間則會增加不必要的體二極管導(dǎo)通損耗。因此，體二極管優(yōu)越的反向恢復(fù)特性使得工程師能夠進(jìn)行更精細(xì)的死區(qū)時間優(yōu)化，這是實現(xiàn)SiC MOSFET系統(tǒng)高頻高效性能的關(guān)鍵。

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6. 結(jié)論

傾佳電子深入分析了SiC MOSFET的開關(guān)行為，特別是其本征體二極管的復(fù)雜關(guān)斷特性。SiC憑借其寬禁帶材料的物理優(yōu)勢，實現(xiàn)了遠(yuǎn)超硅器件的開關(guān)速度、效率和功率密度。然而，其本征體二極管的高正向壓降及其反向恢復(fù)特性，即使性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅，仍然是系統(tǒng)級設(shè)計中不可忽視的挑戰(zhàn)。

傾佳電子的主要結(jié)論可概括為以下幾點：

SiC MOSFET的低導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度源于其寬禁帶和單極性導(dǎo)通機制。這些特性使得更高開關(guān)頻率和更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計成為可能。

SiC體二極管的反向恢復(fù)電荷(Qrr)極低且對溫度不敏感（在工作范圍內(nèi)），這使其成為比Si PN結(jié)二極管更優(yōu)越的續(xù)流二極管。

盡管性能優(yōu)越，體二極管的高正向壓降和反向恢復(fù)電流仍會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，例如增加互補開關(guān)的導(dǎo)通損耗，并與寄生電感相互作用產(chǎn)生電壓振蕩和EMI。

通過精心設(shè)計的柵極驅(qū)動（如不對稱電壓和優(yōu)化的柵極電阻）和戰(zhàn)略性地使用反并聯(lián)SiC肖特基二極管，可以有效緩解上述問題，從而在效率、EMI和可靠性之間實現(xiàn)最佳平衡。

總而言之，SiC MOSFET并非硅器件的簡單替代品，而是一種需要采用全新系統(tǒng)級設(shè)計思維的先進(jìn)技術(shù)。僅僅追求高開關(guān)速度而忽視其對EMI、損耗和可靠性（通過體二極管反向恢復(fù)）的連鎖影響，并非一種可行的設(shè)計策略。未來的發(fā)展方向包括開發(fā)更穩(wěn)健的器件結(jié)構(gòu)（如溝槽型MOSFET）、提升柵極氧化層的可靠性，以及集成更先進(jìn)的柵極驅(qū)動IC，以自動化地管理這些復(fù)雜的權(quán)衡，從而進(jìn)一步釋放SiC技術(shù)的全部潛能。

審核編輯 黃宇