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又是碳化硅(SiC),它到底好在哪里?

2021年06月02日 11:14 次阅读

  过去几年出现并加速发展的数字化和能源效率等全球趋势,给制造商和半导体市场带来了新的挑战。开发出助力实现高效电力管理系统的功率半导体器件,目前也已提上业界议程。

  功率半导体作为电力系统的重要组成部分,是提升能源效率的决定性因素之一。电源、逆变器等电力系统的设计人员,需要逐步达成具有挑战性的效率目标,同时还要控制成本。成本因素发挥的重要作用不只是增加制造商盈利。如果太阳能逆变器、高效电源和电动汽车变得更便宜,那将促进人们采用更绿色环保的基础设施,对我们的地球乃至人类的未来产生积极影响。

  从设计人员的角度来看,成本与效率二者之间的合理平衡至关重要。除常规的硅之外,最近还出现了新技术和新材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等,它们有望实现更高效率及功率密度。事实上,宽禁带半导体因其材料的特性拥有巨大发展潜力,可以带来开创性的性能。它们能够实现更高击穿电压,工作频率更高、热性能方面更加灵活,并拥有针对硬换流应用的稳健性。所有这些特性使其较之硅基解决方案更适合新的高效拓扑或高密度设计。

  碳化硅和氮化镓技术的“甜区”在哪里?

  如图1所示,超结MOSFETIGBT等硅基产品可用于很宽的电压范围(从几伏到几百伏不等),适合于多个功率等级,而基于碳化硅的产品则适用于大于等于650 V的电压等级(突破硅的限值,达到3 kV以上功率等级),基于氮化镓的器件更适合于650 V以下的电压等级。而当工作频率增加时,碳化硅和氮化镓都将逐渐优于硅。应用需求和设计目标决定了首选技术。

  


图1:技术定位——硅、碳化硅和氮化镓

  就这三种技术而言,并仅着眼于分立FET产品,英飞凌拥有丰富的600 - 650 V产品系列(CoolMOS™硅超结MOSFET、CoolSiC™碳化硅MOSFET和CoolGaN™氮化镓常关增强型模式HEMT)。尽管SJ MOSFET以非常经济划算的方式满足了当前对能源效率和功率密度的大多数要求,但是,如有散热或超高密度等特殊设计要求,碳化硅和氮化镓器件为最佳选择。由于相关器件坚固耐用,CoolSiC™ MOSFET具有出色的热性能,CoolGaN™ HEMT适用于很高的工作频率,可以将功率密度提升到非常高的水平。

  未来,WBG产品有望进一步加速和替代硅基器件,不过,可以预见,这三种技术仍将长期共存。由于碳化硅易于使用,而且从超结MOSFET和IGBT过渡相对容易,因此在某些应用中采用碳化硅的速度会更快一些。

  英飞凌CoolSiC™ MOSFET旨在实现卓越性能

  在采用正确设计方法的情况下,碳化硅技术是要求卓越性能的应用的最佳选择。

  


图2:英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件功能与特性一览

  不过,晶圆面积与导通电阻积是给定技术的主要基准参数,找到主要性能指标(即,电阻和开关损耗)与实际工作性能二者之间的平衡仍然很重要。开发出CoolSiC™ MOSFET与匹配的EiceDRIVER™栅极驱动器为的是充分利用碳化硅的预期性能:通过耐用性、可靠性与易用性优势带来卓越性能。了解可用的产品系列,敬请参阅图2。

  


图3:英飞凌基于碳化硅的CoolSiC™产品系列

  谈到可靠性,碳化硅MOSFET在栅极氧化层(GOX)有关键的潜在故障点,栅极氧化层为隔离栅极和源极的层。碳化硅晶体的生长会在栅极氧化成结构中产生缺陷,而那些穿透栅极氧化层的缺陷会导致局部变薄,最终增加电场,使其超过介电击穿电压,导致最终摧毁器件。

  为避免这种情况,CoolSiC™ MOSFET基于沟槽结构,这具备两大优势:

  · 由于结构方向,GOX中缺陷较少

  · 由于具备更强的耐用性和更高的可实现电场强度(支持在更高电压下进行测试,提高缺陷筛选的有效性),所以,GOX厚度增加,而不会影响到性能(可选择浓度更高的GOX,不会对Ron产生影响)

  谈到性能,CoolSiC™ MOSFET具有非常低的开关损耗和传导损耗,它们通过相对平坦的RDS(on)与温度的依赖关系得到改善。特别是,抑制寄生电容产生的门极误开通的稳健性不仅对开关损耗有积极影响,而且在易用性方面也有重大意义。由于寄生电容导致误开通的倾向性很低,CoolSiC™ MOSFET是市面上唯一可以在0 V时可靠关断的器件,不需要使用负电压(虽然该器件也可以这样使用)。因此,该驱动方案可以很简单,并与超结MOSFET驱动解决方案完全兼容。

  关于驱动电压范围,VGS范围的上限与最大容许电压之间需要有一定的电压裕度(VGS, max;在数据手册中指定)。该裕度保证缓冲区可以防止可能引起应力和损坏栅极氧化物的过冲电压。这是CoolSiC™技术为确保可靠性而采取的额外措施。

  未完待续….

  关于SiC优势的后续内容,可以去英飞凌官方知乎账号查看哦。扫描下方二维码打开知乎关注英飞凌,或者直接在知乎里搜索“英飞凌”即可。

  

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