在功率器件領(lǐng)域，英飛凌的CoolSiC MOSFET G2以其卓越性能備受關(guān)注。然而，面對復(fù)雜的應(yīng)用場景，如何正確選型成為工程師們的關(guān)鍵問題。今天，我們將從G2的導(dǎo)通特性入手，深入解析其設(shè)計背后的技術(shù)邏輯與應(yīng)用價值。

在MOSFET設(shè)計選型過程中，工程師往往會以MOSFET常溫下漏源極導(dǎo)通電阻RDS(on)作為第一評價要素。RDS(on)往往會體現(xiàn)在產(chǎn)品型號中，比如IMZA120R040M1H中的040，代表的就是結(jié)溫25℃條件下，Vgs在18V時器件的RDS(on)約為40mΩ。

從上面的參數(shù)表也可以看出，RDS(on)是一個正溫度系數(shù)的參數(shù)，對于IMZA120R040M1H來說，Tvj=175℃下的RDS(on)，幾乎等于常溫下的兩倍。

再來看G2 34mΩIMZC120R034M2H的參數(shù)表，Tvj=175℃下的RDS(on)，約等于常溫下的2.3倍。

可以看出G2 RDS(on)的溫度系數(shù)是要大于Gen1的。盡管在常溫下，IMZC120R034M2H RDS(on)=34mΩ，低于IMZA120R040M1H的39mΩ，但是在175℃時，IMZC120R034M2H RDS(on)達(dá)到了80mΩ，略高于IMZA120R040M1H的77mΩ。

SiC MOSFET常工作在高溫下，高溫下更高的RDS(on)會導(dǎo)致更高的導(dǎo)通損耗。那么為什么CoolSiC G2要設(shè)計這么明顯的RDS(on)溫度系數(shù)？這不是與功率器件低損耗、高功率的發(fā)展方向背道而馳？

要回答這個問題，我們要先弄明白SiC MOSFET RDS(on)溫度特性背后的機理。

SiC MOSFEST總導(dǎo)通電阻RDS(on)主要有三部分組成：溝道電阻Rchannel，JFET電阻RJFET和漂移區(qū)電阻Rdrift。

在這三部分電阻中，溝道電阻Rchannel具有負(fù)溫度系數(shù)，即隨溫度上升，電阻反而下降。而RJFET和Rdrift則具有正溫度系數(shù)，即電阻隨溫度上升而上升。那么總導(dǎo)通電阻RDS(on)的溫度系數(shù)就由這三部分的比例決定。

如果溝道電阻Rchannel占比高，那么它的負(fù)溫度系數(shù)會很大程度上抵消掉RJFET和Rdrift的正溫度系數(shù)，使得總RDS(on)的溫度曲線比較平坦，對外表現(xiàn)為高溫下RDS(on)相比常溫下數(shù)值變化很小。反之，Rchannel占比低的話，總RDS(on)的溫度曲線就會很陡峭，高溫下RDS(on)增加明顯。

CoolSiC MOSFET是溝槽柵器件，從Gen1開始，溝道電阻Rchannel占比就很低，總RDS(on)的溫度系數(shù)就由正溫度系數(shù)的JFET電阻+漂移區(qū)電阻決定。而平面柵器件因為溝道電阻占比高，其負(fù)溫度系數(shù)補償了JFET電阻+漂移區(qū)電阻的正溫度系數(shù)，所以總RDS(on)的溫度系數(shù)比溝槽柵的CoolSiC更低。

而CoolSiC G2溫度特性比G2更明顯。這都是由于CoolSiC產(chǎn)品一直在不停的優(yōu)化溝道質(zhì)量，使得Rchannel在總電阻鏈路中的占比越來越低所致。

為什么英飛凌在執(zhí)著的降低溝道電阻？

做這件事又有什么好處？

SiC和Si材料有很大不同，在形成溝道時，會產(chǎn)生很多氧化層界面陷阱和界面態(tài)密度。這些界面態(tài)密度會捕獲電子，阻礙電子流動，增加溝道電阻。高溫時，被捕獲的電子獲得能量又被釋放，所以溝道電阻在高溫下反而降低，呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)。

SiC MOSFET中的溝道柵氧化層界面的質(zhì)量是SiC發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。不過有挑戰(zhàn)就有機遇，機遇就是SiC是各向異性晶體，在不同晶面上形成的溝道質(zhì)量是不一樣的，垂直晶面的界面態(tài)密度和氧化層陷阱要低于水平晶面。英飛凌選擇了一個特殊的[1120]晶面，它與垂直晶面有一個4℃的夾角，這個晶面能保持最低的界面態(tài)密度和氧化層陷阱，從而保證最高的溝道電子遷移率，以及最低的溝道電阻。同時，溝道電阻的負(fù)溫度系數(shù)也不明顯，可以理解為常溫下被捕獲的電子少，高溫下被釋放的電子也變少了。

通過采用降低柵氧化層界面的界面態(tài)密度和氧化層陷阱，可以提高溝道電子遷移率，允許使用更厚的柵氧化層，柵極氧化層的可靠性隨氧化層厚度的增加而呈指數(shù)級提高。從下圖中可以看到，英飛凌溝槽柵CoolSiC所使用的柵氧化層厚度，遠(yuǎn)高于平面柵，從而保證器件的長期可靠性與穩(wěn)定性。

對于SiC MOSFET的設(shè)計發(fā)展而言，總體趨勢都是在想方設(shè)法改進溝道質(zhì)量，降低溝道電阻, 未來的RDS(on)溫度系數(shù)勢必會更加明顯。

總結(jié)

綜上所述，對CoolSiC G2進行選型時，尤其是對原有項目做替代時，不能簡單的按照RDS(on)的數(shù)值進行一比一替換，開關(guān)損耗也是重要的考量因素，要實際考慮應(yīng)用場景、電路拓?fù)?、開關(guān)頻率、散熱環(huán)境等綜合條件。下一篇文章我們將會分析在軟開關(guān)和硬開關(guān)兩種場景下，分別應(yīng)該如何選型。

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