碳化硅 (SiC)晶體管越來越多地用于功率轉換器，對尺寸、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計快速開關的單極器件。因此，迄今為止只能在低壓領域 (<600 V) 實現的解決方案現在也可以在更高的電壓下實現。結果是最高的效率、更高的開關頻率、更少的散熱和節省空間——這些好處反過來也可以導致總體成本更低。

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

碳化硅簡介

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）是當今電力電子設計人員庫中的既定元素。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？

在功率轉換系統中，人們不斷努力減少功率轉換過程中的能量損失。現代系統基于與無源元件結合打開和關閉固態晶體管的技術。對于與所用晶體管相關的損耗，有幾個方面是相關的。一方面，必須考慮傳導階段的損耗。在 MOSFET 中，它們由經典電阻定義；在 IGBT 中，有一個固定的傳導損耗決定因素，其形式為拐點電壓 (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，在開關過程中，導通和關斷狀態之間總是有一個過渡階段。相關損耗主要由器件電容定義；在 IGBT 的情況下，由于少數載流子動力學（開啟峰值、尾電流），還有進一步的貢獻。基于這些考慮，人們會期望選擇的器件始終是 MOSFET，但是，尤其是對于高電壓，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制的 IGBT通過少數載流子來降低導通模式的電阻。圖 1 以圖形方式總結了這種情況。

圖 1：MOSFET（HV 表示與 IGBT 相似的阻斷電壓 – 1200 V 及更高）和 IGBT 之間的開關過程（左，假設 dv/dt 相同）和靜態 IV 行為（右）的比較

當考慮寬帶隙半導體時，情況會發生變化。圖 2 總結了 SiC 和 GaN 與硅的最重要的物理特性。重要的是，帶隙與半導體的臨界電場之間存在直接相關性。在碳化硅的情況下，它比硅高約 10 倍。

圖2：功率半導體材料重要物理性能對比

有了這個特性，高壓器件的設計就不同了。圖 3 顯示了使用 5 kV 半導體器件示例的影響。在硅的情況下，由于中等的內部擊穿場，人們被迫使用相對較厚的有源區。此外，只有少數摻雜劑可以摻入有源區，從而導致高串聯電阻（如圖 1 所示）。

圖 3：5 kV 功率器件的尺寸——硅和 SiC 之間的區別

由于 SiC 中的擊穿場高 10 倍，因此可以將有源區做得更薄，同時可以結合更多的自由載流子，因此導電性顯著提高。可以說，在 SiC 的情況下，快速開關單極器件（如 MOSFET 或肖特基二極管）與較慢的雙極結構（如 IGBT 和 pn 二極管）之間的過渡現在已經轉移到更高的阻斷電壓（見圖 4）。或者，反過來，硅在 50 V 左右的低壓區域中可能實現的功能現在也可以在 1200 V 器件中使用 SiC。

英飛凌在 25 年前就發現了這種潛力，并組建了一個專家團隊來開發這項技術。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，菲拉赫創新工廠全面轉向 150 毫米晶圓技術，與全球最具創新性的 Trench CoolSiC? MOSFET 首次亮相。

圖 4：高電壓器件概念，硅和 SiC 之間的比較

現代功率器件領域中的 SiC MOSFET

如上一段所述，如今 SiC MOSFET 大部分用于 IGBT 是首選組件的領域。圖 5 總結了 SiC MOSFET 與 IGBT 的主要優勢。特別是在部分負載時，由于線性輸出特性，與具有拐點電壓的 IGBT 情況相反，可以顯著降低傳導損耗。此外，理論上可以通過使用更大的器件面積將傳導損耗降低到無限小的數字。這在 IGBT 的情況下被排除。

關于開關損耗，傳導模式中缺少少數載流子消除了尾電流，因此可以實現非常小的關斷損耗。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，開通損耗占主導地位，而關斷損耗很小，這與 IGBT 的情況通常相反。最后，不需要額外的續流二極管，因為垂直 MOSFET 結構本身包含一個強大的體二極管。該體二極管基于 pn 二極管，在 SiC 的情況下，其拐點電壓約為 3 V。

有人可能會爭辯說，在這種情況下，二極管模式下的傳導損耗非常高，但是，建議（以及低壓硅 MOSFET 的最新技術）在二極管模式下工作，以實現短的死區時間二極管傳導，對于硬開關，介于 200 ns 和 500 ns 之間，對于 ZVS 等諧振拓撲，< 50 ns。然后可以通過施加正柵極偏壓來開啟通道，由于缺乏拐點電壓，這具有與晶體管模式導通狀態相同的優勢。由于二極管是雙極元件，反向恢復作用也很小；然而，對開關損耗的總體影響可以忽略不計。

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 產品組合中。該技術不僅旨在補充這種阻斷電壓等級的 IGBT，而且還旨在補充成功的CoolMOS? 技術。兩種器件都具有快速開關和線性 IV 特性；然而，碳化硅 MOSFET 使體二極管能夠在硬開關和高于 10 kHz 的開關頻率下運行。與超級結器件相比，它們在輸出電容 (Q oss) 結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 圖騰柱等高效橋拓撲中使用，而 CoolMOS? 器件在不存在或可以防止導電體二極管硬換向的應用中具有優勢。

這為 600 V 至 900 V 電壓等級的 SiC 和超級結 MOSFET 的成功共存奠定了基礎。應用要求將決定最適合設計人員的技術選擇。

圖 5：SiC MOSFET 與 IGBT 的優勢總結：左動態損耗、右導通行為、左上集成體二極管

結論

英飛凌的設備設計始終以有益的性價比評估為導向，并非常強調卓越的可靠性，而這正是客戶習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。它結合了低導通電阻和優化設計，可防止過多的柵極氧化物場應力，并提供類似于 IGBT 的柵極氧化物可靠性。

審核編輯：郭婷