SiC MOSFET 的优势和用例是什么？

碳化硅晶体管越来越多地用于高压功率转换器，因为它们可以满足这些应用对尺寸、重量和/或效率的严格要求。但为什么这项技术对工程师如此着迷呢？该博客将提供一些见解。

碳化硅 (SiC) 的出色材料特性使快速开关单极器件的设计成为可能，而不是绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 开关。因此，仅在 600V 及以下电压的低压世界中可行的解决方案现在也可以在更高的电压下使用。其结果是提高了效率、更高的开关频率、更少的热耗散和节省空间——这些好处反过来又降低了整体系统成本。

Infineon Technologies大约在 30 年前就发现了这种潜力，并于 1992 年成立了一个专家团队来开发用于高功率工业应用的 SiC 二极管和晶体管。以下是自那时以来达到的里程碑的简短且不完整的列表：

2001年全球率先推出SiC基肖特基二极管

2006年第一个包含SiC器件的功率模块

当前第五代SiC二极管的发布

随着2017 年创新 Trench CoolSiC ™ MOSFET的首次亮相，菲拉赫创新工厂全面转向 150mm 晶圆技术

在以可靠的 SiC 器件为目标时，金属氧化物半导体场效应晶体管 ( MOSFET ) 已被普遍接受为首选概念。最初，结型场效应晶体管 (JFET) 结构似乎是在 SiC 晶体管中兼顾性能和可靠性的最终解决方案。然而，随着 150mm 晶圆技术的成熟，基于沟槽的 SiC MOSFET 已变得可行。这样一来，双扩散金属氧化物半导体（DMOS）结构既要有性能，又要有高可靠性的困境可以得到解决。

基于宽带隙的功率器件——例如 SiC 二极管和晶体管，或氮化镓高电子迁移率晶体管 ( GaN HEMT )——是当今功率电子设计人员图书馆中的常见元件。但为什么？与传统硅相比，碳化硅有何迷人之处？是什么让 SiC 元件对设计工程师如此有吸引力，以至于他们在设计中如此频繁地使用它们，尽管与硅高压器件相比它们的成本更高？让我们来看看几个原因。

低损耗和高击穿场是关键

在电源转换系统中，设计工程师不断努力减少转换过程中的能量损失。现代系统基于固态晶体管与无源元件一起打开和关闭的技术。对于与所用晶体管相关的损耗，有几个方面是相关的。

首先，设计工程师必须考虑传导阶段的损耗。在 MOSFET 中，这些由经典电阻定义。在 IGBT 中，它是拐点电压 (V ce_sat )形式的固定传导损耗确定器，另外还有输出特性的微分电阻。阻塞阶段的损失通常可以忽略不计。

其次，设计工程师应该考虑到在开关期间始终存在 ON 和 OFF 状态之间的过渡阶段（图 1）。相关损耗主要由器件电容定义。在 IGBT 中，由于少数载流子动力学（导通峰值、尾电流），进一步做出了贡献。

基于这些考虑，您会期望选择的器件始终是 MOSFET。然而，特别是对于高电压，硅MOSFET的电阻变得如此之高，以至于总损耗平衡不如 IGBT，因为它们可以使用少数载流子的电荷调制来降低导通模式的电阻。

图 1：图中显示了开关过程和静态 IV 行为的图形比较。（来源：英飞凌科技）

当考虑宽带隙半导体时，情况发生了变化。图 2总结了 SiC 和 GaN 与硅最重要的物理特性。带隙和半导体的临界电场之间的直接相关性是显着的。对于 SiC，它大约是硅的 10 倍。

图 2：图像突出显示了 SiC 和 GaN 与硅的关键物理特性。（来源：英飞凌科技）

有了这个特点，高压元件的设计就不同了。图 3以 5kV 半导体器件为例显示了影响。在硅的情况下，由于适度的内部击穿电场，半导体设计人员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：SiC 允许更薄的半导体有源区。（来源：英飞凌科技）

SiC 的击穿场高 10 倍，有源区可以做得更薄。同时，可以结合更多的自由载流子，因此可以实现更高的电导率。可以说，就碳化硅而言，快速开关单极器件（例如 MOSFET 或肖特基二极管）与较慢的双极结构（例如 IGBT 和 pn 二极管）之间的过渡现在已经转向更高的阻断电压（图 4） ).

图 4：SiC 提供比传统硅更高的阻断电压。（来源：英飞凌科技）

反之亦然：在 50V 左右的低电压范围内使用硅可能实现的功能对于 1200V 设备而言是可行的 SiC。

结论

WBG 技术的进步和碳化硅的卓越材料特性使这些设备能够以更快的开关速度、低开关损耗和更薄的有源区运行，从而使设计具有更高的效率、更高的开关频率和更好的空间节省。因此，SiC MOSFET 正成为功率转换应用中优于传统硅的首选。

SiC MOSFET的优势和用例是什么？博客由 Peter Friedrichs 撰写，首次发布在 infineon.com 上。经英飞凌许可，贸泽更新并重新发布了该博客。

审核编辑黄昊宇