碳化硅 (SiC)晶體管越來越多地用于功率轉(zhuǎn)換器，對(duì)尺寸、重量和/或效率提出了很高的要求。與雙極 IGBT 器件相比，碳化硅出色的材料特性支持設(shè)計(jì)快速開關(guān)的單極器件。因此，迄今為止只能在低壓領(lǐng)域 (<600 V) 實(shí)現(xiàn)的解決方案現(xiàn)在也可以在更高的電壓下實(shí)現(xiàn)。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——這些好處反過來也可以導(dǎo)致總體成本更低。

同時(shí)，MOSFET 已被普遍接受為首選概念。最初，JFET 結(jié)構(gòu)似乎是在 SiC 晶體管中結(jié)合性能和可靠性的最終選擇。然而，隨著現(xiàn)在150mm晶圓技術(shù)的成熟，基于溝槽的SiC MOSFET也變得可行，因此現(xiàn)在可以解決DMOS性能或高可靠性的困境。

碳化硅簡(jiǎn)介

基于寬帶隙的功率器件，例如 SiC 二極管和晶體管，或GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）是當(dāng)今電力電子設(shè)計(jì)人員庫(kù)中的既定元素。但是，與硅相比，SiC 有什么吸引人的地方？是什么特性使 SiC 組件如此吸引人，以至于盡管與硅高壓器件相比成本更高，但仍被如此頻繁地使用？

在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，人們不斷努力減少功率轉(zhuǎn)換過程中的能量損失?，F(xiàn)代系統(tǒng)基于與無(wú)源元件結(jié)合打開和關(guān)閉固態(tài)晶體管的技術(shù)。對(duì)于與所用晶體管相關(guān)的損耗，有幾個(gè)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，它們由經(jīng)典電阻定義；在 IGBT 中，有一個(gè)固定的傳導(dǎo)損耗決定因素，其形式為拐點(diǎn)電壓 (V ce_sat ) 加上輸出特性的差分電阻。阻塞階段的損失通常可以忽略。

然而，在開關(guān)過程中，導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間總是有一個(gè)過渡階段。相關(guān)損耗主要由器件電容定義；在 IGBT 的情況下，由于少數(shù)載流子動(dòng)力學(xué)（開啟峰值、尾電流），還有進(jìn)一步的貢獻(xiàn)?；谶@些考慮，人們會(huì)期望選擇的器件始終是 MOSFET，但是，尤其是對(duì)于高電壓，硅 MOSFET 的電阻變得如此之高，以至于總損耗平衡不如可使用電荷調(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 相似的阻斷電壓 – 1200 V 及更高）和 IGBT 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(shí)，情況會(huì)發(fā)生變化。圖 2 總結(jié)了 SiC 和 GaN 與硅的最重要的物理特性。重要的是，帶隙與半導(dǎo)體的臨界電場(chǎng)之間存在直接相關(guān)性。在碳化硅的情況下，它比硅高約 10 倍。

圖2：功率半導(dǎo)體材料重要物理性能對(duì)比

有了這個(gè)特性，高壓器件的設(shè)計(jì)就不同了。圖 3 顯示了使用 5 kV 半導(dǎo)體器件示例的影響。在硅的情況下，由于中等的內(nèi)部擊穿場(chǎng)，人們被迫使用相對(duì)較厚的有源區(qū)。此外，只有少數(shù)摻雜劑可以摻入有源區(qū)，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 之間的區(qū)別

由于 SiC 中的擊穿場(chǎng)高 10 倍，因此可以將有源區(qū)做得更薄，同時(shí)可以結(jié)合更多的自由載流子，因此導(dǎo)電性顯著提高?？梢哉f，在 SiC 的情況下，快速開關(guān)單極器件（如 MOSFET 或肖特基二極管）與較慢的雙極結(jié)構(gòu)（如 IGBT 和 pn 二極管）之間的過渡現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)移到更高的阻斷電壓（見圖 4）。或者，反過來，硅在 50 V 左右的低壓區(qū)域中可能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在也可以在 1200 V 器件中使用 SiC。

英飛凌在 25 年前就發(fā)現(xiàn)了這種潛力，并組建了一個(gè)專家團(tuán)隊(duì)來開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。這條道路上的里程碑是 2001 年在全球首次推出基于 SiC 的肖特基二極管，2006 年首次推出包含 SiC 的功率模塊，以及最近在 2017 年，菲拉赫創(chuàng)新工廠全面轉(zhuǎn)向 150 毫米晶圓技術(shù)，與全球最具創(chuàng)新性的 Trench CoolSiC? MOSFET 首次亮相。

圖 4：高電壓器件概念，硅和 SiC 之間的比較

現(xiàn)代功率器件領(lǐng)域中的 SiC MOSFET

如上一段所述，如今 SiC MOSFET 大部分用于 IGBT 是首選組件的領(lǐng)域。圖 5 總結(jié)了 SiC MOSFET 與 IGBT 的主要優(yōu)勢(shì)。特別是在部分負(fù)載時(shí)，由于線性輸出特性，與具有拐點(diǎn)電壓的 IGBT 情況相反，可以顯著降低傳導(dǎo)損耗。此外，理論上可以通過使用更大的器件面積將傳導(dǎo)損耗降低到無(wú)限小的數(shù)字。這在 IGBT 的情況下被排除。

關(guān)于開關(guān)損耗，傳導(dǎo)模式中缺少少數(shù)載流子消除了尾電流，因此可以實(shí)現(xiàn)非常小的關(guān)斷損耗。與 IGBT 相比，開通損耗也有所降低，這主要是由于開通電流峰值較小。兩種損耗類型都沒有顯示溫度升高。然而，與 IGBT 相比，開通損耗占主導(dǎo)地位，而關(guān)斷損耗很小，這與 IGBT 的情況通常相反。最后，不需要額外的續(xù)流二極管，因?yàn)榇怪?MOSFET 結(jié)構(gòu)本身包含一個(gè)強(qiáng)大的體二極管。該體二極管基于 pn 二極管，在 SiC 的情況下，其拐點(diǎn)電壓約為 3 V。

有人可能會(huì)爭(zhēng)辯說，在這種情況下，二極管模式下的傳導(dǎo)損耗非常高，但是，建議（以及低壓硅 MOSFET 的最新技術(shù)）在二極管模式下工作，以實(shí)現(xiàn)短的死區(qū)時(shí)間二極管傳導(dǎo)，對(duì)于硬開關(guān)，介于 200 ns 和 500 ns 之間，對(duì)于 ZVS 等諧振拓?fù)洌? 50 ns。然后可以通過施加正柵極偏壓來開啟通道，由于缺乏拐點(diǎn)電壓，這具有與晶體管模式導(dǎo)通狀態(tài)相同的優(yōu)勢(shì)。由于二極管是雙極元件，反向恢復(fù)作用也很小；然而，對(duì)開關(guān)損耗的總體影響可以忽略不計(jì)。

英飛凌最近還推出了 650 V CoolSiC? MOSFET 衍生物，將部署在完整的 650 V 產(chǎn)品組合中。該技術(shù)不僅旨在補(bǔ)充這種阻斷電壓等級(jí)的 IGBT，而且還旨在補(bǔ)充成功的CoolMOS? 技術(shù)。兩種器件都具有快速開關(guān)和線性 IV 特性；然而，碳化硅 MOSFET 使體二極管能夠在硬開關(guān)和高于 10 kHz 的開關(guān)頻率下運(yùn)行。與超級(jí)結(jié)器件相比，它們?cè)谳敵鲭娙?(Q oss) 結(jié)合更平滑的電容與漏極電壓特性。這些特性使 SiC MOSFET 能夠在半橋和 CCM 圖騰柱等高效橋拓?fù)渲惺褂茫?CoolMOS? 器件在不存在或可以防止導(dǎo)電體二極管硬換向的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。

這為 600 V 至 900 V 電壓等級(jí)的 SiC 和超級(jí)結(jié) MOSFET 的成功共存奠定了基礎(chǔ)。應(yīng)用要求將決定最適合設(shè)計(jì)人員的技術(shù)選擇。

圖 5：SiC MOSFET 與 IGBT 的優(yōu)勢(shì)總結(jié)：左動(dòng)態(tài)損耗、右導(dǎo)通行為、左上集成體二極管

結(jié)論

英飛凌的設(shè)備設(shè)計(jì)始終以有益的性價(jià)比評(píng)估為導(dǎo)向，并非常強(qiáng)調(diào)卓越的可靠性，而這正是客戶習(xí)慣于從英飛凌獲得的。英飛凌 SiC 溝槽 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)化設(shè)計(jì)，可防止過多的柵極氧化物場(chǎng)應(yīng)力，并提供類似于 IGBT 的柵極氧化物可靠性。

審核編輯：郭婷