碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)勢？

通過(guò)SiC系列的文《SiC材料到底“cool”在哪里？》，我們了解到了SiC材料本身的卓越性能。那么，使用SiC材料做成的器件又會(huì )有什么過(guò)人之處呢？接下來(lái)就讓我們一探究竟吧。

• 相比Si IGBT，CoolSiC? 好在哪兒？

目前IGBT和MOSFET都是廣泛使用的功率器件，特別是在高壓電力電子領(lǐng)域IGBT 應用更為普遍。那么，IGBT 和MOSFET 究竟有哪些區別呢？其實(shí)它們的結構非常相似，正面采用多晶硅與漂移區形成金屬-氧化物-半導體結構，作為門(mén)極；漂移區普遍采用N型摻雜的半導體來(lái)承受阻斷電壓；門(mén)極施加正壓（高于器件閾值電壓）時(shí)，器件導通，通態(tài)電流在漂移區縱向流動(dòng)。區別主要在于IGBT 在漂移區背面有P+注入作為集電極，而MOSFET 直接在N漂移區背面淀積金屬作為漏極。IGBT 背面的P+決定了它是雙極型器件，在器件導通時(shí)，發(fā)射極注入電子，而集電極注入空穴，兩種載流子均參與導電。在器件關(guān)斷時(shí)，多余的空穴只能在體內進(jìn)行復合，從而造成拖尾電流，增加了關(guān)斷損耗，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。而且在高溫下，拖尾電流更加明顯，造成更大的關(guān)斷損耗。目前IGBT 能實(shí)現系統的開(kāi)關(guān)頻率均在100kHz 以下。而MOSFET 只依賴(lài)電子進(jìn)行導電，關(guān)斷時(shí)電子可以迅速被抽走，沒(méi)有拖尾電流，因而關(guān)斷損耗更小，且基本不隨溫度變化。

下面我們通過(guò)實(shí)際測試數據來(lái)直觀(guān)感受一下SiC 的優(yōu)勢。

1）開(kāi)關(guān)損耗

圖2是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3) 與CoolSiC? MOSFET (IMW120R045M1) 在同一平臺下進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗的對比測試結果。母線(xiàn)電壓800V, 驅動(dòng)電阻RG=2.2Ω，驅動(dòng)電壓為15V/-5V。使用1200V/20A G5 肖特基二極管 IDH20G120C5作為續流二極管。在開(kāi)通階段，40A 的電流情況下，CoolSiC? MOSFET 開(kāi)通損耗比IGBT 低約50%，且幾乎不隨結溫變化。這一優(yōu)勢在關(guān)斷階段會(huì )更加明顯，在25℃結溫下，CoolSiC? MOSFET 關(guān)斷損耗大約是IGBT 的20%，在175℃的結溫下，CoolSiC? MOSFET 關(guān)斷損耗僅有IGBT 的10%（關(guān)斷40A電流）。且開(kāi)關(guān)損耗溫度系數很小。

2）導通損耗

圖3是1200V HighSpeed3 IGBT (IGW40N120H3) 與CoolSiC? MOSFET (IMW120R045M1) 的輸出特性對比。常溫下，兩個(gè)器件在40A 電流下的導通壓降相同。當小于40A 時(shí)，CoolSiC? MOSFET 顯示出近乎電阻性的特性，而IGBT 則在輸出特性上有一個(gè)拐點(diǎn)，一般在1V~2V, 拐點(diǎn)之后電流隨電壓線(xiàn)性增長(cháng)。當負載電流為15A 時(shí)，在常溫下，CoolSiC? 的正向壓降只有IGBT 的一半，在175℃結溫下，CoolSiC? MOSFET 的正向壓降約是IGBT 的80%。在實(shí)際器件設計中，CoolSiC? MOSFET 比IGBT 具有更低的導通損耗。

3）體二極管續流特性

CoolSiC? MOSFET 的本征二極管有著(zhù)和SiC肖特基二極管類(lèi)似的快恢復特性。25℃時(shí)，它的Qrr和相同電流等級的G5 SiC 二極管近乎相等。然而，反向恢復時(shí)間及反向恢復電荷都會(huì )隨結溫的增加而增加。從圖4(a)中我們可以看出，當結溫為175℃時(shí)，CoolSiC? MOSFET 的Qrr略高于G5 肖特基二極管。圖4(b)比較了650V 41mΩ Si MOSFET 本征二極管和CoolSiC? MOSFET 本征二極管的性能。在常溫及高溫下，1200V CoolSiC? MOSFET 體二極管僅有Si MOSFET 體二極管Qrr的10%。

• 相比其它MOSFET，CoolSiC? 好在哪兒？

我們已經(jīng)了解到，SiC 材料雖然在擊穿場(chǎng)強、熱導率、飽和電子速率等方面相比于Si材料有著(zhù)絕對的優(yōu)勢，但是它在形成MOS（金屬-氧化物-半導體）結構的時(shí)候，SiC-SiO2 界面電荷密度要遠大于Si-SiO2，這樣造成的后果就是SiC表面電子遷移率要遠低于體遷移率，從而使溝道電阻遠大于體電阻，成為器件通態(tài)比電阻大小的主要成分。然而，表面電子遷移率在不同的晶面上有所區別。目前常見(jiàn)的SiC MOSFET 都是平面柵結構，Si-面上形成導電溝道，缺陷較多，電子遷移率低。英飛凌CoolSiC? MOSFET 采用Trench 溝槽柵結構，導電溝道從水平的晶面轉移到了豎直的晶面，大大提高了表面電子遷移率，使器件的驅動(dòng)更加容易，壽命更長(cháng)。

SiC MOSFET 在阻斷狀態(tài)下承受很高的電場(chǎng)強度，對于Trench 器件來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)會(huì )在溝槽的轉角處集中，這里是MOSFET 耐壓設計的一個(gè)薄弱點(diǎn)。英飛凌采用了嶄新的非對稱(chēng)溝槽結構，如下圖所示。在這個(gè)結構中，溝槽左側有N+源極及P基區，可以形成正常的MOS導電溝道；溝槽的另外一側大部分都被高摻雜的深P阱包圍，在阻斷狀態(tài)下，這個(gè)P阱可以減弱施加在溝槽柵氧上的電場(chǎng)強度；在反向續流狀態(tài)時(shí)，可以充當快恢復二極管使用，性能優(yōu)于常規MOSFET體二極管。

相比于其它SiC MOSFET, CoolSiC? MOSFET 有以下獨特的優(yōu)勢：

a）為了與方便替換現在的Si IGBT，CoolSiC? MOSFET 推薦驅動(dòng)電壓為15V，與現在Si 基IGBT 驅動(dòng)需求兼容。CoolSiC? MOSFET 典型閾值電壓4.5V, 高于市面常見(jiàn)的2~3V的閾值電壓。比較高的閾值電壓可以避免門(mén)極電壓波動(dòng)引起的誤觸發(fā)。

b）CoolSiC? MOSFET 有優(yōu)化的米勒電容Cgd 與柵源電容Cgs 比值，在抑制米勒寄生導通的同時(shí)，兼顧高開(kāi)關(guān)頻率。

c）大面積的深P 阱可以用作快恢復二極管，具有極低的Qrr 與良好的魯棒性。

d）CoolSiC? MOSFET提供芯片，單管，模塊多種產(chǎn)品。單管有TO-247 3pin 和 TO-247 4pin，開(kāi)爾文接法可以防止米勒寄生導通，并減少開(kāi)關(guān)損耗。模塊有EASY1B,EASY 2B, 62mm 等等, 可以覆蓋多種功率等級應用。模塊采用低寄生電感設計，為并聯(lián)設計優(yōu)化，使PCB 布線(xiàn)更容易。

綜上所述，CoolSiC? MOSFET是一場(chǎng)值得信賴(lài)的技術(shù)革命，憑借它的獨特結構和精心設計，它將帶給用戶(hù)一流的系統效率，更高的功率密度，更低的系統成本。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）