面向xEV和工業(yè)應用的新一代SiC MOSFET

為了提高電源系統(tǒng)效率和功率密度，許多應用都在逐步提高開關頻率和整體系統(tǒng)電壓。這種趨勢最近導致對能夠以超低導通和開關損耗運行的高壓功率半導體開關的需求。例如，前幾代電動汽車使用的電源系統(tǒng)只有幾百伏；較新的 EV 電源系統(tǒng)正在達到高達 800V 的電池電壓，并朝著更高的開關頻率發(fā)展，以減小無源元件的尺寸。

數(shù)據(jù)中心、光伏以及大量其他可再生能源和工業(yè)應用也是如此。這些新的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要在固態(tài)電源開關器件方面取得突破，以高效可靠地處理高功率、快速開關速度和寬工作溫度范圍。傳統(tǒng) IGBT 技術努力提供這些應用所需的新效率閾值。憑借新的大規(guī)模市場生產(chǎn)能力和巨大的性能改進，更新的碳化硅 MOSFET 技術非常適合滿足高壓電力電子系統(tǒng)的苛刻要求。

碳化硅在功率器件方面優(yōu)于硅

對于功率應用，碳化硅作為一種半導體，在電擊穿、帶隙能量、電子飽和速度和熱導率方面遠遠優(yōu)于硅。這使得 SiC MOSFET 能夠在更高的電壓、溫度和頻率下運行，同時傳導更高的功率水平。此外，碳化硅是一種極其堅硬且堅固的材料，其莫氏硬度為 13，而碳化硼和金剛石的莫氏硬度分別為 14 和 15（圖 1）。

圖 1：碳化硅、氮化鎵和硅材料特性的比較。SiC 的物理特性使其能夠以比硅功率器件更高的效率運行。

具體而言，碳化硅器件適用于比硅器件高得多的擊穿電壓，大約高出 5 到 10 倍。這個因素很重要，因為高壓硅開關需要采用雙極電流傳導來降低導通電阻，這會導致更慢且更節(jié)能的開關過程。此外，這種對 Si 晶體管的設計必要性導致導通拐點電壓，以允許最小的電流傳導，從而影響傳導損耗性能。

SiC 相對于 Si 的固有優(yōu)勢可歸因于 SiC 更大的帶隙能量。寬帶隙能量賦予 SiC 比 Si 高近 10 倍的擊穿電場，使其能夠以 10 倍更薄的漂移層和近 100 倍的摻雜濃度支持相同的額定電壓。這些因素使每單位芯片面積的導通電阻降低了大約 300 倍。在 650 V 或更高的額定電壓下，由于沒有少數(shù)載流子存儲效應和尾電流損耗，SiC MOSFET 的開關速度比 Si IGBT 快得多，從而實現(xiàn)高頻操作和更小的系統(tǒng)尺寸。

與 Si 相比，SiC 還可以承受惡劣的環(huán)境條件，承受更高的溫度和機械應變。這部分是由于 SiC 的熱導率比 Si 高得多，而且能帶隙更寬。因此，SiC 器件能夠在高于 200?C 的溫度下保持功能和完整性，而 Si 器件在超過 100?C 時會顯著退化，并且通常不會超過 150?C。這些特性使 SiC 器件更加可靠和堅固，而無需進行復雜的熱管理和電氣保護系統(tǒng)設計。

新型 SiC MOSFET 的主要特性和增強功能

除了 SiC 在功率器件方面優(yōu)于 Si 的固有優(yōu)勢外，SiC MOSFET 技術本身也日趨成熟。一些最新一代的 SiC MOSFET 表現(xiàn)出低得多的靜態(tài)漏源導通電阻（R DS（on）或 R on），因為改進了雙溝槽結構，減少了柵漏提供了更低的開關損耗電容和封裝創(chuàng)新，可降低成本并減少設備占用空間。

為了說明這項技術的改進，我們將使用羅姆的第四代 SiC MOSFET 1作為示例。這些采用溝槽柵極技術開發(fā)的器件與相同芯片尺寸的第三代器件相比，R on降低了 40% 。這種改進的好處是 SiC MOSFET 可以在更高的電流密度下運行，同時最大限度地減少導通損耗。反過來，這些設備可以做得更小以滿足相同的系統(tǒng)功率要求，從而降低 SiC 組件的成本（圖 2）。

圖 2：羅姆第四代 1，200-V SiC MOSFET 與該公司現(xiàn)有器件的比較顯示，在同等芯片尺寸和更高電流能力下，RDS（on） 降低了 40%。

降低的 R on是更小的單元間距、改進的 MOS 界面、晶圓背面研磨和其他性能增強設計策略的結果。這些策略的結果并沒有導致短路耐受時間 （SCWT） 的妥協(xié)。這很重要，因為 R on 的典型降低會導致短路事件期間芯片上的飽和電流增加和更高的散熱，相應地更快的結溫上升和更短的 SCWT。

圖 3：羅姆的第四代 SiC MOSFET 改善了短路耐用性和導通電阻之間的權衡關系。

降低的 C rss是第四代這種特定 SiC MOSFET 技術的另一個優(yōu)勢。這導致 dV/dt 速度增加并降低 E on /E off。與第三代器件相比，該器件還表現(xiàn)出較低的 C rss /C iss比、較低的 E rr和較低的 V gs浪涌。除了最大限度地降低寄生導通風險之外，新一代 SiC MOSFET 的改進設計和單元結構與上一代器件相比，開關損耗降低了約 50%。

圖 4：開關損耗比較 — 第四代 SiC MOSFET 與第三代 SiC MOSFET

開關損耗發(fā)生在器件從阻斷（關斷狀態(tài)）到導通（導通狀態(tài)）的轉(zhuǎn)換過程中，反之亦然。降低開關損耗非常重要，因為開關損耗直接影響設備效率和使用過程中的熱量積聚。憑借更好的開關損耗性能，設備可以在更高的頻率下運行而不會超過散熱限制。這種額外的裕度通常為減小電感器和電容器組件尺寸開辟了可能性，并導致更緊湊的電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。

SiC SDIP 模塊提供最佳集成封裝

改進的芯片設計以實現(xiàn)更高的能效需要優(yōu)化的器件封裝，以最大限度地提高開關性能并減少組件占用空間。帶有附加驅(qū)動源連接的分立式封裝以及具有緊湊尺寸和靈活內(nèi)部拓撲結構的 SDIP 電源模塊有助于實現(xiàn)這一點。

對于具有獨立開爾文源極引腳的分立產(chǎn)品，主電流路徑上的源極雜散電感不再影響施加到芯片上的有效柵極電壓。2結果是顯著更快的 di/dt 速度和更低的開關損耗，與使用傳統(tǒng)封裝的成本差異最小。

圖 5：與傳統(tǒng)模塊或分立解決方案相比，具有靈活內(nèi)部拓撲結構的新型 SDIP 模塊占用空間更小，成本更低。

SDIP 外形尺寸可實現(xiàn)緊湊型電源模塊，面向中等功率應用，例如電動汽車的車載充電器、太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)和不間斷電源。該模塊最多可在內(nèi)部集成六個 SiC MOSFET，具有包括 H 橋、三相橋等在內(nèi)的拓撲選項。由于占用空間小、背面絕緣且組裝過程簡單，這些封裝可以簡化電路板設計，與使用多個分立器件或傳統(tǒng)模塊相比，電路板設計更小、成本更低。

碳化硅的持續(xù)發(fā)展推動規(guī)模經(jīng)濟

通過不斷投資于碳化硅技術的研發(fā)，羅門已經(jīng)能夠提供碳化硅MOS和全碳化硅模塊，并實現(xiàn)溝槽碳化硅MOS的量產(chǎn)。這種不斷的發(fā)展有助于實現(xiàn)行業(yè)領先的性能，并通過降低成本和在襯底/晶圓工藝能力方面帶來規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢，幫助滿足 SiC 需求的增長。

在羅姆，一個關鍵的組成部分是將晶圓直徑從 100 毫米增加到 150 毫米，再加上對更大 SiC 產(chǎn)能的投資。2009 年收購領先的 SiC 襯底供應商 SiCrystal，幫助羅姆建立了具有一致質(zhì)量和供應保證的垂直整合 SiC 生產(chǎn)體系。

電動汽車和工業(yè)電力電子的最新趨勢正在朝著更高電壓和更高頻率的方向發(fā)展。這些應用中更激烈的競爭正在鼓勵電力系統(tǒng)制造商提供更緊湊、更高效的電力系統(tǒng)，同時不會犧牲可靠性。碳化硅功率器件通過大幅提升功率系統(tǒng)性能，非常適合滿足這些不斷發(fā)展的行業(yè)的需求。

審核編輯：郭婷