第4代SiC FET的突破性性能

幾十年來，基于硅的半導(dǎo)體開關(guān)一直主導(dǎo)著功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，IGBT 和 Si MOSFET 提供了成熟、穩(wěn)健的解決方案。然而，當(dāng)寬帶隙 (WBG) 器件于 2008 年開始商用，采用碳化硅 (SiC) JFET，然后在 2011 年推出 SiC MOSFET時，范式發(fā)生了變化。新技術(shù)承諾更高的效率和更快的開關(guān)，隨之而來的好處是節(jié)能和更好的功率密度。然而，雖然制造商已經(jīng)成功地克服了產(chǎn)量和性能問題，但 SiC 開關(guān)仍然不方便使用，因為 SiC JFET 是常開器件，而 SiC MOSFET 需要非常特殊的柵極驅(qū)動才能獲得最大性能。

然而，UnitedSiC 率先采用了 SiC 開關(guān)的不同實現(xiàn)方式，將 SiC JFET 與低壓 Si MOSFET 作為“共源共柵”組合在單個封裝中，形成了他們所謂的“SiC FET”，結(jié)合了 WBG 的速度和效率技術(shù)與硅 MOSFET 的簡單柵極驅(qū)動。

第 3 代做好了準(zhǔn)備

SiC FET Gen 3 技術(shù)成為許多高增長市場的關(guān)鍵推動因素，例如電動汽車、充電器、IT 基礎(chǔ)設(shè)施、電路保護(hù)和替代能源。隨著 SiC 制造能力的提高，這些設(shè)備開始趕上硅等更傳統(tǒng)的材料，因為這種新技術(shù)變得更容易獲得和負(fù)擔(dān)得起。

高功率系統(tǒng)特別展示了 SiC FETS 的優(yōu)勢，高端超結(jié)設(shè)計過渡到 650V SiC，具有 1200V 和 1700V SiC 部件，有效地取代了 IGBT，甚至是最好的 Si 超結(jié) MOSFET。

第 3 代也出現(xiàn)了同類最低的 R DS(ON)，當(dāng)時 UnitedSiC 發(fā)布了RDS(ON)在 650V 時 <7mohm 和 1200V時 9mohm 的器件。

市場需求推動進(jìn)一步改進(jìn)

電源轉(zhuǎn)換市場對更高的功率密度和效率有著永無止境的需求，包括更低的靜態(tài)和動態(tài)損耗以及更多的熱和電氣設(shè)計余量。在越來越廣泛的硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用中，這一切都不會影響可靠性或成本。SiC FET 已成為滿足這些需求的理想解決方案，但與此同時，隨著晶圓尺寸和產(chǎn)量的增加，這些器件在電池充電、太陽能等 400V/500V 總線應(yīng)用的更大市場中也變得具有成本效益。逆變器和電動汽車逆變器市場。

作為回應(yīng)，具有突破性性能水平的新型 750V 'Gen 4' SiC FET 已投放市場，并將加速 SiC FET 在汽車和工業(yè)充電、電信整流器、數(shù)據(jù)中心 PFC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換以及可再生能源中的采用能源和儲能應(yīng)用。

與這些應(yīng)用中的替代 650V SiC MOSFET 相比，UnitedSiC 的第一個第 4 代系列部件的 750V 額定值可顯著提高運行裕度，但性能因數(shù) (FOM) 有所提高。盡管額定電壓更高，但通過晶圓減薄和單元密度最大化方面的先進(jìn)技術(shù)，可以實現(xiàn)比競爭 SiC MOSFET 更好的 FOM，從而降低每單位面積的R DS(ON)。這種關(guān)鍵的 FOM 結(jié)合了靜態(tài)損耗和每個晶圓芯片的經(jīng)濟(jì)性測量以及小尺寸以實現(xiàn)低器件電容，從而實現(xiàn)快速切換和低動態(tài)損耗。盡管芯片尺寸減小，但由于實現(xiàn)了低導(dǎo)通電阻、碳化硅的高導(dǎo)熱性和先進(jìn)的銀燒結(jié)芯片連接的熱性能，因此額定電流仍然很高。

第 4 代 SiC FET 如何達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)

圖 1 中比較了 UnitedSiC 750V、第 4 代 SiC FET、UJ4C0750018K3S/4S 型和其他可比較的 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手之間的特定導(dǎo)通電阻 R DS(ON) A。對于此處使用的 SiC JFET，在低溫和高溫下，F(xiàn)OM 的顯著改進(jìn)是顯而易見的。

圖 1：UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET 單位面積導(dǎo)通電阻與 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手的比較

還有其他一些值得比較的品質(zhì)因數(shù)，例如 R DS(ON) E OSS，這在硬開關(guān)應(yīng)用中尤為重要，其中輸出電容 C OSS從高電壓快速放電，導(dǎo)致高瞬態(tài)能量耗散 E OSS . 在制造過程中，器件輸出電容可以降低，但通常以導(dǎo)通電阻為代價，因此 FOM 是一個有用的比較。圖 2比較了與圖 1 中相同的 UnitedSiC 18 毫歐器件使用 SiC MOSFET 替代品和第 4 代 SiC FET 的優(yōu)勢很明顯，25°C 時 FOM 提高 50%，125°C 時 FOM 提高 40%。在“圖騰柱 PFC”等硬開關(guān)應(yīng)用或標(biāo)準(zhǔn) 2 電平逆變器中，體二極管中存儲的電荷也很重要，并且在 SiC FET 中非常低，積分低電壓 Si 的貢獻(xiàn)很小MOSFET。雖然集成 JFET 中沒有寄生體二極管，但有一條反向傳導(dǎo)路徑通過 JFET 通道和共同封裝的 Si MOSFET 的體二極管。體二極管壓降表現(xiàn)為來自硅 MOSFET 的 0.7V 拐點電壓和 JFET 通道的歐姆壓降之和，等于或小于 1.3V。相比之下，典型的 650V SiC MOSFET 體二極管可以在數(shù)百納庫侖存儲電荷的情況下下降超過 3V。

圖 2. UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET R DS(ON)、E OSS FOM 與 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手的比較

如圖 3 所示，LLC 和 PSFB 轉(zhuǎn)換器等軟開關(guān)應(yīng)用也受益于使用 SiC FET——雖然這些電路中的輸出電容 C OSS(TR)不會快速放電，但它確實會在開關(guān)導(dǎo)通時引入延遲——充電時偏離邊緣，這會限制最大可用頻率。由于 WBG 器件開關(guān)的吸引力之一是在更高頻率下運行以減小相關(guān)組件（尤其是磁性元件）的尺寸、成本和重量，因此第 4 代 SiC FET 的超低 C OSS(TR)是一個明顯的優(yōu)勢。

圖 3：UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET R DS(ON)、C OSS(tr) FOM 與 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手的比較

UnitedSiC 的第 4 代 SiC FET 保留了主要優(yōu)勢，即它們可以使用 0V-12V 柵極驅(qū)動（最大為 +/20V，由 ESD 保護(hù)二極管鉗位）安全地從完全關(guān)閉驅(qū)動到飽和。5V 的閾值電壓允許單極操作。器件短路電流由 JFET 通道控制，該通道具有很大程度上與溫度無關(guān)的閾值。因此，短路能力與高于 12V 的柵極驅(qū)動電壓無關(guān)，這種行為與 SiC MOSFET 和 IGBT 非常不同。米勒效應(yīng)實際上不存在，避免了偽導(dǎo)通的可能性，并且提供的封裝包括開爾文連接，以避免柵極驅(qū)動環(huán)路中包含源電感，否則可能將瞬態(tài)耦合到柵極驅(qū)動中。與早期的 SiC FET 世代一樣，高最大柵極驅(qū)動電壓允許將部件改裝到現(xiàn)有電路中，以更改 IGBT、Si-MOSFET 和 SiC-MOSFET，而對柵極驅(qū)動布置進(jìn)行很少或根本沒有修改，從而立即提高性能。作為獎勵，SiC FET 的總柵極電荷為幾十納庫侖，因此即使在高頻切換時，所需的柵極驅(qū)動功率也很小。此外，與前幾代產(chǎn)品一樣，第 4 代 SiC FET 具有強大的雪崩和短路額定值。

圖 4的雷達(dá)圖中總結(jié)了第 4 代 750V SiC FET 的優(yōu)勢并與競爭 SiC MOSFET 進(jìn)行了比較。影響硬開關(guān)和軟開關(guān)效率的參數(shù)在低溫和高溫下都顯示出來，UnitedSiC 部件在各個方面都優(yōu)于 SiC MOSFET，并且肯定優(yōu)于成熟的 Si MOSFET 和 IGBT。這是通過標(biāo)準(zhǔn)分立封裝中的部件實現(xiàn)的，使它們易于設(shè)計到新的和現(xiàn)有的設(shè)計中。

圖 4. UnitedSiC 750V SiC FET 在關(guān)鍵參數(shù)歸一化后的比較優(yōu)勢（注意：值越低越好）

UnitedSiC 的第 3 代 SiC FET 實現(xiàn)的出色效率提升促進(jìn)了該技術(shù)的廣泛采用，現(xiàn)在第 4 代通過先進(jìn)的制造和封裝技術(shù)實現(xiàn)了全新的性能水平。與額定電壓為 750V 的部件相比，設(shè)計人員現(xiàn)在比通常用于中低功率總線應(yīng)用中的傳統(tǒng) 650V 額定 Si 和 SiC MOSFET 具有額外的裕量。憑借在所有領(lǐng)域都表現(xiàn)出色的品質(zhì)因數(shù)和方便、耐熱增強的封裝，第 4 代將在所有功率轉(zhuǎn)換和存儲應(yīng)用中實現(xiàn)充電器、整流器、PFC 級和 DC-DC 轉(zhuǎn)換的效率和功率密度的新標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷