雙柵結(jié)構(gòu) SiC FETs 在電路保護中的應用

2022 年 12 月 6 - 7 日，中國電工技術學會低壓電器專業(yè)委員會第二十一屆學術年會、第十七屆中國智能電工技術論壇暨固態(tài)新型斷路器技術發(fā)展及應用國際研討會（第二季）于江蘇常州順利召開。作為一場行業(yè)盛會，該會議主要圍繞固態(tài)/混合式新型斷路器的最新技術、前沿標準、全新檢測業(yè)務方向等相關解決方案進行深入研討。

Qorvo 公司的高級應用工程師敬勇攀也在 “固態(tài)斷路器國際論壇”上發(fā)表了題為《雙柵結(jié)構(gòu) Sic FETs 在電路保護中的應用》的演講。

據(jù)介紹，Qorvo 是一家專注于射頻領域，在包括 5G、WiFi 和 UWB 等通信技術都有投入的公司。此外，Qorvo 在觸控和電源等方面也有布局。如在 2021 年領先碳化硅（SiC）功率半導體供應商 UnitedSiC 公司的收購，就擴展 Qorvo 在高功率應用方面的市場機會，這部分業(yè)務也被納入了 Qorvo 的 IDP 部門。

敬勇攀在演講中也指出，UnitedSiC 團隊從 1994 年開始就開始投入碳化硅領域的研究，截止在這方面有了 23 年的投入。而早在 2014 年，UnitedSiC 就已經(jīng)成功量產(chǎn)了第四代 1200V 和 650V 的碳化硅 FETS 和二極管結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。到了 2018 年，UnitedSiC 成功在六吋晶圓上量產(chǎn)了第三代的 1200V 和 750V 碳化硅產(chǎn)品。目前，這些產(chǎn)品也升級到第四代。

“基于我們碳化硅產(chǎn)品的多樣性，Qorvo 有能力在包括固態(tài)變壓器在內(nèi)的電力電子的多個應用領域發(fā)揮重要的作用。”敬勇攀說。

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首先看汽車方面，如上圖所示，因為新能源汽車的火熱，催生了 SiC 的需求。這也是一個 SiC 擁有巨大潛力的市場，尤其是在 OBC 充電方面。

據(jù)敬勇攀介紹，現(xiàn)在市場上已經(jīng)提供了有 6.6KW - 22KW 等多種功率段的方案。而在這些方案的 FPC 側(cè)，基本上都會用到 SiC 器件以提升方案效率；5KW 左右的 “小功率” 汽車充電領域，也會用到 SiC 產(chǎn)品來打造 DC-DC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)；在新能源汽車市場，牽引系統(tǒng)也會是 SiC 發(fā)力的又一個方向，例如特斯拉和比亞迪等廠商就會在其高端電動汽車的牽引系統(tǒng)上選擇 SiC 方案，有助于提升其續(xù)航能力。

其次，與新能源汽車配套充電樁行業(yè)也是 SiC 能夠發(fā)揮作用的又一個市場。而 Qorvo 現(xiàn)在更專注的是直流快充市場。在這個領域，企業(yè)基于 SiC 打造了涵蓋 20KW、30KW 甚至 40KW 功率的單個模塊?！艾F(xiàn)在國外有些廠商基于 800V 母線做出了 350KW 的充電方案，代表著可以在八分鐘內(nèi)就完成 400 公里續(xù)航充電?！本从屡逝e例說。此外，充電樁里的無線充電也是 SiC 可以發(fā)力的又一個方向。

第三，IT 市場的基礎設施建設也讓 SiC 有了用武之地。如 Qorvo 的器件可以用在圖騰柱的 PFC 上，用做功率因素校準等。同時，小的 DCDC 也是 SiC 的應用方向；第四，如光伏逆變、能源再生和能源反饋市場也是 SiC 看上的又一個市場。

最后，SiC 還可以充當電路保護器件，尤其是在固態(tài)電路中，SiC 能發(fā)揮出比較好的電路保護作用，這也是敬勇攀這次演講的重點。

如下圖所示，如果硅基器件要做到耐壓 650V 或者更高時，其所需要的晶圓面積較大。作為對比，SiC 基的器件即使在打造 1000V 以上耐壓的產(chǎn)品，其晶圓面積反而會較小。從下圖右邊硅、普通平面 SiC MOS 和 Qorvo (原 UnitedSiC ) 的 SiC Trench JFET 的漂移區(qū)厚度對比可以看到，Qorvo 的器件在尺寸上優(yōu)勢明顯。

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“如圖所說，Qorvo 器件的漂移區(qū)厚度雖然和傳統(tǒng)平面 SiC 器件的相仿，但因為 Qorvo 器件能把 die size 做得更小，這就讓公司的器件擁有了更大的成本優(yōu)勢。這也是一直以來做的事情——把 SiC Trench JFET 和低壓硅 MOS 集成到一起，做成現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，使其在性能和成本上都能取得不錯的表現(xiàn)?！本从屡试谘葜v中強調(diào)。

據(jù)敬勇攀總結(jié)，SiC 基器件擁有下面幾點優(yōu)勢：

1. 與硅基器件相比，SiC 器件的導熱性能是前者的三倍以上；

2. 與硅基器件相比，SiC 器件單 Si 面積內(nèi)的耐受電壓是前者的四倍；

3. 由于 SiC 器件的電子漂移率是硅基器件的十倍以上，因此對于給定的耐壓值，其每平方毫米的 RdsA 變小，導通損耗也能做得更??；

4. 在不依賴于雙極性傳導時，SiC 具有更快的關閉速度和更低損耗；

再回到上面談到的固態(tài)斷路器應用。如下圖所示，三種不同結(jié)構(gòu)的 JFET 都適用于這個市場。其中，第一種基于碳化硅 JFET 型的常開器件，這種器件主要用于斷路器和限流等應用，因為在這種器件，我們能直接測量 RDS 電壓，那就意味著我們可以直接測量器件內(nèi)部的結(jié)溫，因此這是一種非常理想的自我監(jiān)測型器件。

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中間的這種器件則是 Casecade 結(jié)構(gòu)，由 JFET SiC 和作為驅(qū)動的低壓 MOS 兩部分構(gòu)成。而這種設計的好處是其驅(qū)動可以做兼容式設計，可兼容 IGBT、硅基超級結(jié) MOS 和通用 SiC MOS 的驅(qū)動，能在設計的過程中給工程師提供非常大的便利。得益于這些優(yōu)勢，這種器件能夠應用在光伏、充電樁、OBC 和服務器電源等應用中。

最右邊的設計則是一種雙門級設計，其最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在使用者可以非常輕易地控制 SiC 的開關速度，應用范圍也囊括了斷路器和剎車等領域。在演講中，敬勇攀還表示，這種雙門級結(jié)構(gòu)擁有兩種不同的驅(qū)動模式，分別是基于 Cascode 的驅(qū)動和直接驅(qū)動。

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在第一種驅(qū)動中，如上圖所示，這種設計的最明顯的特點就是在 JFET 上增加了一個串聯(lián)進門極電路的外部驅(qū)動電阻，其優(yōu)勢是驅(qū)動簡單、對于在第三象限的工況，內(nèi)部具有非常低的 Vf 值，能提高效率?！盎谖覀兲厥獾?Cascode 設計，我們產(chǎn)品的第三現(xiàn)象導通壓降處于 1 到 1.5V 之間，有利于系統(tǒng)效率的提高?！本从屡收f。

至于直驅(qū)型設計，其優(yōu)勢則包括：1. 可以更好的控制 JFET 的開關速度；2. 可以進一步減少 Rdson；3. 可以實時監(jiān)測器件的結(jié)溫。

在接下來的演講中，敬勇攀用多個圖表展示和 DEMO 講述了Qorvo SiC 在包括固態(tài)斷路在內(nèi)的多個應用優(yōu)勢。

如下圖所示，最左邊的圖是一個直驅(qū)的方式直接控制 Sic Jfet 的門級。最左邊的是不同Vgs下實時對應的器件結(jié)溫。

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下圖上方展示了用 3 個 T0247 封裝的 1200V，9m 的雙門級器件并聯(lián)所做的一個固態(tài)斷路器的測試。從圖中我們也可以看到器件是采用 cascade 驅(qū)動的方式實現(xiàn)的。這樣有利于簡化驅(qū)動。另外我們可以看到 Rjfet 的驅(qū)動電阻是 5Ω，并且在每一個器件的都并有 RC snubber，吸收電容是 3nf，吸收電阻：11Ω，它作為關斷時可以起到對 VDS 的電壓尖峰吸收的作用。

下圖下方兩個圖的其中一個是器件的結(jié)溫跟 Rdson 成正相關曲線，即結(jié)溫越高，Rdson 也就越大。另一個是 JFET 的門級閾值電壓跟隨結(jié)溫的波動曲線，從圖中可以看到 JFET 的結(jié)溫越高，閾值電壓也就越高。

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下圖則展示了三個器件并聯(lián)以后做的一個固態(tài)短路器的測試波形。其中，紅色線表示 VDS，綠色線代表 ID，其峰值電流在 1150A，藍色線代表 VGS，驅(qū)動電平在 18V 左右。

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在Qorvo，我們現(xiàn)在提供了一個供源極的雙驅(qū)動的模塊，并且 Rdosn 是 1.4mΩ，由 24die 構(gòu)成。而傳統(tǒng)的是由 6 個 SOT227 并聯(lián)構(gòu)成一個 1.5mΩ CSD，并且它是由 36die 構(gòu)成。因此從體積，開通損壞來說，我們的器件都更具有優(yōu)勢。另外，右邊的圖給出了 CSD 的 Rdson 的測量方法。從圖中我們可以看到 D1，D2 是器件的主功率端子，而白色的是 MG1 和 SK1，以及 MG2 和 SK2 的驅(qū)動引腳。

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通過下方的浪涌測試設置的原理框圖，我們可以看到最右邊是隔離電源和隔離的門級驅(qū)動，驅(qū)動電壓設置為 15V，和 -5V，外部的驅(qū)動電阻 Rgon 是 2.2 并聯(lián) 0.6Ω，Rgoff 是 0.6Ω，為了簡便期間，這里我們把 CSD 的驅(qū)動供用一路驅(qū)動來實現(xiàn)，并且沒有帶推飽和檢測。但是在實際應用中我們建議最好由 2 路隔離驅(qū)動，并且每一路都帶有推飽和檢測功能。另外我們在母線上并聯(lián)了 6 組 RC sunnber 做關斷時的電壓尖峰吸收，以及并聯(lián)了壓敏電阻可以泄放浪涌器件的能量，最后我們在負載線上串聯(lián)了 2 顆 5mΩ 的電阻，用于電流檢測。

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如圖展示的是浪涌測試時的電流波形。其中綠色的線時 IDS，峰值高達 6650A，紅色的線是 D1 和 D2 的電壓，其峰值電壓可以高達 940V，藍色線是 CSD 模塊的驅(qū)動電壓。我們可以看到在 CSD 模塊導體的 240us 內(nèi)，負載或者器件電流達 6650A。

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在浪涌實驗中，我們也仿真了器件內(nèi)部的結(jié)溫，圖中粉紅色的線是 CSD 模塊內(nèi)部 Q1 器件的結(jié)溫，黃色的線是 CSD 模塊內(nèi)部 Q2 器件的結(jié)溫。我們可以觀察到在 CSD 導通的 240us 內(nèi)，CSD 模塊內(nèi)部的結(jié)溫最高是在 57°C，而當器件關斷時，由于會產(chǎn)生一個比較大的關斷損耗，導致器件的結(jié)溫上升到 68°C，但這些都是在器件的設計范圍以內(nèi)。

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最后，敬勇攀總結(jié)說，如下圖所示，SiC Cascode FET 在固態(tài)電路保護中擁有多個優(yōu)勢。Qorvo 在未來也會繼續(xù)推進技術發(fā)展，為客戶提供更好的服務。

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