CoolSiC MOSFET技术在电源转换系统中的应用

碳化硅 (SiC)晶体管越来越多地用于功率转换器，对尺寸、重量和/或效率提出了很高的要求。与双极 IGBT 器件相比，碳化硅出色的材料特性支持设计快速开关的单极器件。因此，迄今为止只能在低压领域 (<600 V) 实现的解决方案现在也可以在更高的电压下实现。结果是最高的效率、更高的开关频率、更少的散热和节省空间——这些好处反过来也可以导致总体成本更低。

同时，MOSFET 已被普遍接受为首选概念。最初，JFET 结构似乎是在 SiC 晶体管中结合性能和可靠性的最终选择。然而，随着现在150mm晶圆技术的成熟，基于沟槽的SiC MOSFET也变得可行，因此现在可以解决DMOS性能或高可靠性的困境。

碳化硅简介

基于宽带隙的功率器件，例如 SiC 二极管和晶体管，或GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）是当今电力电子设计人员库中的既定元素。但是，与硅相比，SiC 有什么吸引人的地方？是什么特性使 SiC 组件如此吸引人，以至于尽管与硅高压器件相比成本更高，但仍被如此频繁地使用？

在功率转换系统中，人们不断努力减少功率转换过程中的能量损失。现代系统基于与无源元件结合打开和关闭固态晶体管的技术。对于与所用晶体管相关的损耗，有几个方面是相关的。一方面，必须考虑传导阶段的损耗。在 MOSFET 中，它们由经典电阻定义；在 IGBT 中，有一个固定的传导损耗决定因素，其形式为拐点电压 (V ce_sat ) 加上输出特性的差分电阻。阻塞阶段的损失通常可以忽略。

然而，在开关过程中，导通和关断状态之间总是有一个过渡阶段。相关损耗主要由器件电容定义；在 IGBT 的情况下，由于少数载流子动力学（开启峰值、尾电流），还有进一步的贡献。基于这些考虑，人们会期望选择的器件始终是 MOSFET，但是，尤其是对于高电压，硅 MOSFET 的电阻变得如此之高，以至于总损耗平衡不如可使用电荷调制的 IGBT通过少数载流子来降低导通模式的电阻。图 1 以图形方式总结了这种情况。

图 1：MOSFET（HV 表示与 IGBT 相似的阻断电压 – 1200 V 及更高）和 IGBT 之间的开关过程（左，假设 dv/dt 相同）和静态 IV 行为（右）的比较

当考虑宽带隙半导体时，情况会发生变化。图 2 总结了 SiC 和 GaN 与硅的最重要的物理特性。重要的是，带隙与半导体的临界电场之间存在直接相关性。在碳化硅的情况下，它比硅高约 10 倍。

图2：功率半导体材料重要物理性能对比

有了这个特性，高压器件的设计就不同了。图 3 显示了使用 5 kV 半导体器件示例的影响。在硅的情况下，由于中等的内部击穿场，人们被迫使用相对较厚的有源区。此外，只有少数掺杂剂可以掺入有源区，从而导致高串联电阻（如图 1 所示）。

图 3：5 kV 功率器件的尺寸——硅和 SiC 之间的区别

由于 SiC 中的击穿场高 10 倍，因此可以将有源区做得更薄，同时可以结合更多的自由载流子，因此导电性显着提高。可以说，在 SiC 的情况下，快速开关单极器件（如 MOSFET 或肖特基二极管）与较慢的双极结构（如 IGBT 和 pn 二极管）之间的过渡现在已经转移到更高的阻断电压（见图 4）。或者，反过来，硅在 50 V 左右的低压区域中可能实现的功能现在也可以在 1200 V 器件中使用 SiC。

英飞凌在 25 年前就发现了这种潜力，并组建了一个专家团队来开发这项技术。这条道路上的里程碑是 2001 年在全球首次推出基于 SiC 的肖特基二极管，2006 年首次推出包含 SiC 的功率模块，以及最近在 2017 年，菲拉赫创新工厂全面转向 150 毫米晶圆技术，与全球最具创新性的 Trench CoolSiC™ MOSFET 首次亮相。

图 4：高电压器件概念，硅和 SiC 之间的比较

现代功率器件领域中的 SiC MOSFET

如上一段所述，如今 SiC MOSFET 大部分用于 IGBT 是首选组件的领域。图 5 总结了 SiC MOSFET 与 IGBT 的主要优势。特别是在部分负载时，由于线性输出特性，与具有拐点电压的 IGBT 情况相反，可以显着降低传导损耗。此外，理论上可以通过使用更大的器件面积将传导损耗降低到无限小的数字。这在 IGBT 的情况下被排除。

关于开关损耗，传导模式中缺少少数载流子消除了尾电流，因此可以实现非常小的关断损耗。与 IGBT 相比，开通损耗也有所降低，这主要是由于开通电流峰值较小。两种损耗类型都没有显示温度升高。然而，与 IGBT 相比，开通损耗占主导地位，而关断损耗很小，这与 IGBT 的情况通常相反。最后，不需要额外的续流二极管，因为垂直 MOSFET 结构本身包含一个强大的体二极管。该体二极管基于 pn 二极管，在 SiC 的情况下，其拐点电压约为 3 V。

有人可能会争辩说，在这种情况下，二极管模式下的传导损耗非常高，但是，建议（以及低压硅 MOSFET 的最新技术）在二极管模式下工作，以实现短的死区时间二极管传导，对于硬开关，介于 200 ns 和 500 ns 之间，对于 ZVS 等谐振拓扑，< 50 ns。然后可以通过施加正栅极偏压来开启通道，由于缺乏拐点电压，这具有与晶体管模式导通状态相同的优势。由于二极管是双极元件，反向恢复作用也很小；然而，对开关损耗的总体影响可以忽略不计。

英飞凌最近还推出了 650 V CoolSiC™ MOSFET 衍生物，将部署在完整的 650 V 产品组合中。该技术不仅旨在补充这种阻断电压等级的 IGBT，而且还旨在补充成功的CoolMOS™ 技术。两种器件都具有快速开关和线性 IV 特性；然而，碳化硅 MOSFET 使体二极管能够在硬开关和高于 10 kHz 的开关频率下运行。与超级结器件相比，它们在输出电容 (Q oss) 结合更平滑的电容与漏极电压特性。这些特性使 SiC MOSFET 能够在半桥和 CCM 图腾柱等高效桥拓扑中使用，而 CoolMOS™ 器件在不存在或可以防止导电体二极管硬换向的应用中具有优势。

这为 600 V 至 900 V 电压等级的 SiC 和超级结 MOSFET 的成功共存奠定了基础。应用要求将决定最适合设计人员的技术选择。

图 5：SiC MOSFET 与 IGBT 的优势总结：左动态损耗、右导通行为、左上集成体二极管

结论

英飞凌的设备设计始终以有益的性价比评估为导向，并非常强调卓越的可靠性，而这正是客户习惯于从英飞凌获得的。英飞凌 SiC 沟槽 MOSFET 的概念遵循相同的理念。它结合了低导通电阻和优化设计，可防止过多的栅极氧化物场应力，并提供类似于 IGBT 的栅极氧化物可靠性。

审核编辑：郭婷