深入對比SiC MOSFET vs Qorvo SiC FET

在之前一篇題為《功率電子器件從硅（Si）到碳化硅（SiC）的過渡》的博文中，我們探討了碳化硅（SiC）如何成為功率電子市場一項“顛覆行業(yè)生態(tài)”的技術(shù)。如圖1所示，與硅（Si）材料相比，SiC具有諸多技術(shù)優(yōu)勢，因此我們不難理解為何它已成為電動汽車（EV）、數(shù)據(jù)中心和太陽能/可再生能源等許多應用領域中備受青睞的首選技術(shù)。

圖1.硅與碳化硅的對比

眾多終端產(chǎn)品制造商紛紛選擇采用SiC技術(shù)替代硅基工藝，來開發(fā)基于雙極結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)柵場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的電源產(chǎn)品。然而，Qorvo研發(fā)的SiC“共源共柵結(jié)構(gòu)”FET器件（如圖2所示）使這項技術(shù)更進一步。這些器件基于獨特的“共源共柵結(jié)構(gòu)”電路配置，將一個常開型SiC JFET器件與一個硅基MOSFET共同封裝，形成一個集成的常關(guān)型SiC FET器件。在接下來的段落中，我們將詳細闡述?Qorvo 研發(fā)的 SiC FET（共源共柵結(jié)構(gòu)FET）相較于同類SiC MOSFET的顯著優(yōu)勢。

圖2.Qorvo SiC FET（“共源共柵結(jié)構(gòu)”FET）器件結(jié)構(gòu)框圖

與硅基器件相比，采用SiC可獲得哪些優(yōu)勢

SiC MOSFET或SiC FET與硅基器件相比擁有幾個顯著優(yōu)勢。首先，SiC作為一種寬帶隙材料，具有更高的擊穿電壓，因而可以使用更薄的器件來支持更高的電壓。除此之外，SiC相較于硅基器件還有以下優(yōu)勢：

對于給定的電壓和電阻等級，SiC可以實現(xiàn)更高的工作頻率，因此可以減少無源器件的體積，從而減小整個系統(tǒng)的尺寸及成本

對于更高的電壓等級（1200V或更高），SiC能夠以較低的功率損耗實現(xiàn)高頻開關(guān)；而在如此電壓等級下仍能勝任的硅基器件實際上幾乎不存在

在任何給定的封裝中，SiC相對硅基產(chǎn)品具有更低的導通電阻和開關(guān)損耗

在與硅器件相同的設計中，SiC能夠讓客戶獲得更高的效率、更出色的散熱性能，和更高的系統(tǒng)額定功率

這些優(yōu)勢同樣體現(xiàn)在Qorvo SiC FET的性能上。作為一種更新且功能更強大的器件，Qorvo SiC FET針對多種功率應用進行了優(yōu)化，并帶來了以下額外收益：

Qorvo SiC FET的架構(gòu)采用標準硅柵極驅(qū)動器，這使得從硅到SiC的過渡更加順暢，同時也為設計師提供了更大靈活性

在給定封裝中，具有行業(yè)最低的漏-源導通電阻 RDS(ON)，可最大程度提升系統(tǒng)效率

更低的電容允許更快的開關(guān)速度，進而實現(xiàn)更高的工作頻率；這進一步減小了電感器和電容器等大體積無源元件的尺寸

與硅基IGBT相比，SiC FET在更高電壓等級（1200V或更高）能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率。硅基IGBT雖然傳統(tǒng)上服務于這一細分市場，但通常速度較慢，僅在較低頻率下使用，因此開關(guān)損耗較高

Qorvo SiC FET器件能在給定RDS(ON)的條件下獲得更小的裸片尺寸，并減輕SiC MOSFET產(chǎn)品常見的柵極氧化物可靠性問題

SiC MOSFET vs. Qorvo SiC FET：深入對比

讓我們花一些時間更深入地了解SiC MOSFET與Qorvo SiC FET兩種功率技術(shù)間的差異。從下面的圖3中，我們會發(fā)現(xiàn)SiC MOSFET技術(shù)不同于Qorvo的集成SiC FET——這是精心設計的結(jié)果。Qorvo利用SiC JFET消除了SiC MOSFET的柵極氧化層，進而消除了溝道電阻，讓裸片尺寸更為緊湊。

Qorvo SiC JFET較小的裸片尺寸成為其差異化優(yōu)勢的一個關(guān)鍵所在，并通過圖4所示的‘RDS(ON)?x A’(RdsA)品質(zhì)因數(shù)（FOM）得到最佳體現(xiàn)。這意味著對于給定的芯片尺寸，Qorvo SiC FET提供了更低的導通電阻額定值；換言之，在相同的RDS(ON)條件下，Qorvo SiC FET所需的SiC裸片尺寸更小。Qorvo憑借在RdsA FOM方面的卓越表現(xiàn)樹立了行業(yè)領先地位；其所提供的超低額定電阻產(chǎn)品能適用TOLL和D2PAK等相對較小的行業(yè)標準封裝，讓這一點得以充分展現(xiàn)。

圖3.SiC MOSFET與Qorvo SiC FET的比較

Qorvo的SiC FET與SiC MOSFET相比具有更低的輸出電容Coss。輸出電容較低的器件在低負載電流下開關(guān)速度更快，電容充電延遲時間更短。這意味著，由于減少了對電感器和電容器等較大體積無源元件的需求，使得終端設備能夠?qū)崿F(xiàn)更小的體積、更輕的重量、更低的成本，并獲得更高的功率密度。

圖4.Qorvo SiC FET與SiC MOSFET競品對比

SiC MOSFET還面臨以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

SiC MOS溝道電阻高，導致電子遷移率較低

在柵極偏壓較高的情況下，Vth可能發(fā)生漂移；這限制了柵極到源極的電壓驅(qū)動范圍

體二極管具有較高的拐點電壓，因此需要同步整流

然而，采用Qorvo SiC FET后，上述缺陷得以根本解決，原因如下：

SiC JFET 結(jié)構(gòu)的器件上摒棄了MOS（金屬氧化物）結(jié)構(gòu)，因此器件更加可靠

相同芯片面積下，漏極至源極電阻更低

電容更低，相當于更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換和更高的頻率

主要結(jié)論

盡管市場上可供選擇的SiC功率半導體種類繁多，但在某些特定應用中，一些器件的表現(xiàn)確實比其它器件更為出色。Qorvo的集成SiC“共源共柵結(jié)構(gòu)”FET技術(shù)便是其中的佼佼者；其憑借低RDS(ON)、低輸出電容，和高可靠性等獨特優(yōu)勢提供了卓越性能。這些品質(zhì)因數(shù)推動Qorvo的SiC FET技術(shù)在其它技術(shù)無法企及的領域大放異彩。此外，SiC FET的附加性能使其在AC/DC電源單元、DC/DC儲能和可再生能源應用，以及電動汽車快速充電器中實現(xiàn)更高的效率。

審核編輯：黃飛

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