安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 靜態(tài)特性分析

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SiC MOSFET 在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中正迅速普及，因?yàn)樗畛醯囊恍┛煽啃詥?wèn)題已得到解決，并且價(jià)位已達(dá)到非常有吸引力的水平。隨著市場(chǎng)上的器件越來(lái)越多，必須了解 SiC MOSFET 與 IGBT 之間的共性和差異，以便用戶充分利用每種器件。本系列文章將概述安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的關(guān)鍵特性及驅(qū)動(dòng)條件對(duì)它的影響，作為安森美提供的全方位寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)的一部分，還將提供NCP51705（用于 SiC MOSFET 的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器）的使用指南。本文為第一部分，將重點(diǎn)介紹安森美M 1 1200 V SiC MOSFET的靜態(tài)特性。

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碳化硅 (SiC) 是用于制造分立功率半導(dǎo)體的寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體材料系列的一部分。如表 1 所示，傳統(tǒng)硅 (Si) MOSFET 的帶隙能量為 1.12 eV，而 SiC MOSFET 的帶隙能量則為 3.26 eV。

SiC 和氮化鎵 (GaN) 具有更寬的帶隙能量，意味著將電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶需要大約 3 倍的能量，從而使材料的表現(xiàn)更像絕緣體而不像導(dǎo)體。這使得 WBG 半導(dǎo)體能夠承受更高的擊穿電壓，其擊穿場(chǎng)穩(wěn)健性是硅的 10 倍。對(duì)于給定的額定電壓，較高的擊穿場(chǎng)可以減小器件的厚度，從而轉(zhuǎn)化為較低的導(dǎo)通電阻和較高的電流能力。SiC 和 GaN 都具有與硅相同數(shù)量級(jí)的遷移率參數(shù)，這使得兩種材料都非常適合高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用。SiC 的熱導(dǎo)率是硅和 GaN 的三倍。對(duì)于給定的功耗，較高的熱導(dǎo)率將轉(zhuǎn)化為較低的溫升。

特定所需擊穿電壓的 R_DS(ON)是 MOSFET的一部分，它與遷移率乘以臨界擊穿場(chǎng)的立方成反比。即使 SiC 的遷移率低于硅，但其臨界擊穿場(chǎng)高 10 倍，導(dǎo)致給定擊穿電壓的 R_DS(ON)要低得多。

商用 SiC MOSFET 的保證最高工作溫度為 150℃< T_J< 200℃。相比之下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 600℃ 的 SiC 結(jié)溫，但其主要受鍵合和封裝技術(shù)的限制。這使得 SiC 成為適用于高壓、高速、高電流、高溫、開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的優(yōu)質(zhì) WBG 半導(dǎo)體材料。

表 1：半導(dǎo)體材料屬性

SiC MOSFET 通常在 650 V < BVDSS < 1.7 kV 范圍內(nèi)可用。盡管 SiC MOSFET 的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)行為與標(biāo)準(zhǔn)硅 MOSFET 非常相似，但必須考慮其器件特性決定的獨(dú)特柵極驅(qū)動(dòng)要求。

靜態(tài)特性阻斷電壓能力

安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的額定電壓為 1200 V，具有每個(gè)特定器件的數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大零柵極電壓漏極電流 (I_DSS)。然而，SiC MOSFET 的阻斷電壓能力會(huì)隨著溫度的升高而降低。以 1200 V 20 m SiC MOSFET 電源模塊為例，與 25℃ 時(shí)的值相比，?40℃ 時(shí)阻斷電壓 (V_DS) 的典型降額約為 11%。即使安森美的器件通常留有一些裕度，在設(shè)計(jì)期間，也應(yīng)考慮 V_DS 的降額，尤其是在器件將在極低溫度下運(yùn)行時(shí)。在圖 1 中可以看到擊穿電壓與溫度的典型分布。

重要提示：這些是典型的參考值，無(wú)法保證一定會(huì)實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參考數(shù)據(jù)表中的值或聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)支持人員。

圖 1：V_DS 與溫度的典型分布

R_DS(ON) 特性和驅(qū)動(dòng)安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的推薦 V_GS

與硅相關(guān)產(chǎn)品相比，SiC MOSFET 的主要區(qū)別之一是漏極-源極電壓 (V_DS) 與特定漏極電流 (I_D) 的柵源電壓 (V_GS) 的相關(guān)性，并且在這個(gè)安森美 1200 V SiC MOSFET 中也不例外。圖 2 顯示傳統(tǒng)的 Si MOSFET 在線性（歐姆）和有源區(qū)（飽和）之間顯示出明顯的過(guò)渡。另一方面，參見(jiàn)圖 3，SiC MOSFET 并不會(huì)出現(xiàn)這種狀況，實(shí)際上沒(méi)有飽和區(qū)，這意味著 SiC MOSFET 的表現(xiàn)更像是可變電阻，而不是非理想型的電流源。

圖 2：SJ MOSFET 的典型靜態(tài)特性

圖 3：安森美 1200 V SiC MOSFET M 1 的典型靜態(tài)特性

在選擇適當(dāng)?shù)?V_GS 時(shí)需要考慮的一個(gè)重要方面是，與硅基器件不同，當(dāng) V_GS 增加時(shí)，即使在相對(duì)較高的電壓下，SiC MOSFET 也仍會(huì)表現(xiàn)出 R_DS(ON)的顯著改善。這可以從圖 3 中看出：當(dāng) V_GS增加時(shí)，曲線向左移動(dòng)。如果我們看一下圖 2，當(dāng) V_GS >> V_Th 時(shí)，Si MOSFET 的 R_DS(ON) 未表現(xiàn)出顯著改善，因此，大多數(shù) Si MOSFET 通常以 V_GS≤ 10 V 驅(qū)動(dòng)。因此，如果用 SiC 替換 Si MOSFET，建議修改驅(qū)動(dòng)電壓。盡管 10 V 高于 SiC MOSFET 的典型閾值電壓，但在如此低的 V_GS 下的傳導(dǎo)損耗很可能會(huì)導(dǎo)致器件的熱失控。這是建議使用 V_GS ≥ 18 V 來(lái)驅(qū)動(dòng)安森美 1200 V M 1 SiC MOSFET 的原因之一。

如果選擇的電壓過(guò)高，則會(huì)在柵極氧化物中引入更高的應(yīng)力，這可能導(dǎo)致長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題或關(guān)鍵特性變化，如 V_TH 漂移。在資質(zhì)認(rèn)定階段，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，以確定 + 25 V 的最大柵極電壓。例如，在圖 4 中，正柵極偏壓應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果以綠色顯示。與其他供應(yīng)商相比，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 在持續(xù)施加 + 25 V 電壓時(shí)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖 4：正柵極偏壓應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試條件：V_GS = 25 V，T = 175℃

即使采用最佳布局和最少電感封裝，也無(wú)法避免管芯柵極處的瞬態(tài)電壓尖峰。為了不超過(guò) + 25 V 的勢(shì)壘，建議最大向 MOSFET 施加 V_GS ≤ 20 V 的恒定電壓。

R_DS(ON)，溫度相關(guān)性

需要考慮的另一個(gè)因素是 SiC MOSFET 的溫度系數(shù)。在低溫下，SiC MOSFET 通常呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù) (NTC)，直到其達(dá)到某一溫度并開(kāi)始具有正溫度系數(shù) (PTC)。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)受 V_GS 影響。在較低的 V_GS 下，NTC 會(huì)一直持續(xù)到較高的溫度，而如果這個(gè)電壓增加，則轉(zhuǎn)折點(diǎn)將在較低的溫度下發(fā)生。在圖 5 中，可以看出安森美 M 1 SiC MOSFET 在不同 V_GS 下 R_DS(ON) 與溫度的典型相關(guān)性。如果我們觀察 V_GS = 15 V 時(shí)的曲線，NTC 在負(fù)溫度下非常陡峭，在大約 50℃ 時(shí)仍然明顯，這導(dǎo)致高溫下的 R_DS(ON) 在所有情況下都低于負(fù)溫度下的 R_DS(ON)。如果兩個(gè)組件并聯(lián)切換，就像我們的許多電源模塊一樣，其中一個(gè)組件可能會(huì)過(guò)載，特別是當(dāng)器件在負(fù)環(huán)境溫度下啟動(dòng)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致熱失控。如果 V_GS 增加，此現(xiàn)象將得到糾正。在 18 V 時(shí)，溫度系數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)約為 25℃，在 100℃ 時(shí)，R_DS(ON) 值已經(jīng)高于 ?40℃ 時(shí)的值，這使其成為并聯(lián)切換器件的安全電壓，即使在寒冷的環(huán)境中使用也是如此。

圖 5：不同 V_GS 下 R_DS(ON) 的溫度相關(guān)性

為了計(jì)算 SiC MOSFET 器件的靜態(tài)損耗或?yàn)榱吮容^不同的供應(yīng)商，不僅要查看器件在 25℃ 時(shí)的 R_DS(ON)（通常在出于營(yíng)銷目的而定義器件時(shí)使用），還要查看目標(biāo)應(yīng)用溫度下的 R_DS(ON)。如前一段所述，在某個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，SiC MOSFET 會(huì)具有 PTC。個(gè)中好處已經(jīng)解釋過(guò)了，但如果系數(shù)很高，25℃ 和應(yīng)用中實(shí)際溫度下的 R_DS(ON)之間的差異會(huì)變得非常關(guān)鍵，導(dǎo)致在目標(biāo)工作溫度下的傳導(dǎo)損耗顯著增加。在選擇 SiC MOSFET 時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。

當(dāng)溫度升高時(shí)，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 在 R_DS(ON)方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。圖 6 顯示了在不同漏極電流 (I_D) 下，20 m 器件在 25℃ 和 150℃ 時(shí)的差異。當(dāng) I_D = 50 A 時(shí)，R_DS(ON) 增加了 33%，這足以確保良好的并聯(lián)工作，且不會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)損耗顯著增加。

圖 6：1200 V、20 mΩ SiC MOSFET 電源模塊在不同溫度下的 V_DS 與 I_D

選擇負(fù)柵極偏壓

到目前為止，已經(jīng)討論了用于定義正柵極偏壓的不同參數(shù)。結(jié)論是，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的 V_GS 在靜態(tài)操作期間應(yīng)設(shè)置為 + 18 V ≤ V_GS ≤ 20 V，而在動(dòng)態(tài)瞬態(tài)中不應(yīng)超過(guò) + 25 V。但如何定義負(fù)柵極偏壓呢？當(dāng)然，該值應(yīng)足夠低，以確保器件正確關(guān)閉，同時(shí)避免在那些容易產(chǎn)生直通電流的拓?fù)洌ㄈ绨霕颍┲谐霈F(xiàn)寄生導(dǎo)通。

就 V_TH 而言，目前市場(chǎng)上有兩種類型的 SiC MOSFET，即典型值高于 3.5V 的高閾值電壓 SiC MOSFET 和典型值低于 3V 至 3.5V 的低閾值電壓 SiC MOSFET。安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 屬于第二類，其典型 V_TH 值在 2.75 V 的范圍內(nèi)（各個(gè)器件的具體值見(jiàn)數(shù)據(jù)表）。該值隨溫度變化，可能低至 1.8 V，也可能高達(dá) 4.3 V。

在可能產(chǎn)生直通電流的應(yīng)用中，建議使用 ? 5 V 的負(fù)柵極偏壓，以留有足夠的安全裕度，避免寄生導(dǎo)通，尤其是在較高的開(kāi)關(guān)頻率下。將負(fù) V_TH 設(shè)置為 ? 5 V 還應(yīng)給予足夠的裕度，以避免瞬態(tài)柵極電壓低于在 ?15 V 設(shè)置的最小限值。

在直通電流風(fēng)險(xiǎn)不存在（即升壓器拓?fù)洌┗蚪柚F(xiàn)有技術(shù)而降低（即用寄生電感解耦半橋輸出）的情況下，負(fù)柵極偏壓可以增加到高達(dá) 0V 的任何安全值。這對(duì)器件的性能有其他影響，將在下一章進(jìn)行討論。

與正柵極偏壓一樣，具有非常低的負(fù)柵極偏壓可能會(huì)觸發(fā) SiC 晶體的缺陷，導(dǎo)致可靠性問(wèn)題或關(guān)鍵參數(shù)的修改，例如 V_TH 或 R_DS(ON) 漂移，這在談?wù)撠?fù)柵極偏壓和當(dāng)前可用的 SiC 溝槽 MOSFET 時(shí)尤其關(guān)鍵。為了防止這些問(wèn)題，安森美在設(shè)計(jì)中考慮了這一點(diǎn)，并對(duì) M 1 1200 V SiC MOSFET 進(jìn)行了大量的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，以確認(rèn)沒(méi)有漂移。圖 7 顯示了靜態(tài)負(fù)柵極偏壓的結(jié)果及其在 V_TH 方面的影響。此外，我們的生產(chǎn)線還進(jìn)行了老化測(cè)試，以限制過(guò)早發(fā)生故障的情況。

圖 7：負(fù)柵極偏壓應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試條件：V_GS = -20 V，T = 175 ℃

體二極管正向電壓 (V_f) vs. V_GS

眾所周知，與其他類型的二極管相比，SiC MOSFET 的體二極管具有較高的正向電壓。在使用 SiC MOSFET 時(shí)應(yīng)考慮這一特性，通常，不建議在許多拓?fù)涞乃绤^(qū)時(shí)間之外使用，以避免高損耗。減少體二極管使用的一種有效方式是在需要反向?qū)〞r(shí)激活 MOSFET 的溝道。這樣做可以顯著減少損耗。

但是，對(duì)于在激活溝道之前需要死區(qū)時(shí)間的拓?fù)?，?a target="_blank">同步整流中的典型半橋，無(wú)法有效地停用體二極管，因?yàn)樾枰嗥骷?或修改電流路徑。此外，即使采取許多預(yù)防措施，也可能無(wú)法完全避免在死區(qū)時(shí)間使用體二極管。安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 可以使用體二極管，且不會(huì)導(dǎo)致可靠性下降或 MOSFET 主要參數(shù)出現(xiàn)重大漂移。

考慮到這一點(diǎn)，必須要知道 V_GS 將對(duì)體二極管的靜態(tài)性能產(chǎn)生影響。圖 8 顯示了當(dāng)應(yīng)用不同的 V_GS 時(shí)，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的體二極管與正向電流 (I_f) 的 V_f相關(guān)性。如圖所示，當(dāng)負(fù)柵極偏壓減小時(shí)，V_f 略微增加。此圖具有一些誤導(dǎo)性，因?yàn)樗赡軙?huì)讓用戶得出將 V_GS 設(shè)置為 0 V 是最佳解決方案的結(jié)論。然而，這個(gè) V_f 較低的原因是 MOSFET 的溝道處于微導(dǎo)通狀態(tài)，所以外部看起來(lái) V_f較低的實(shí)際上是從體二極管接收部分電流的溝道。當(dāng)二極管停止導(dǎo)通時(shí)，溝道仍將保持微導(dǎo)通。根據(jù)開(kāi)關(guān)拓?fù)?，這可能會(huì)對(duì)總損耗產(chǎn)生負(fù)面影響，并增加泄漏。此外，在 0 V 時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗將急劇增加，具體稍后會(huì)進(jìn)行解釋。這種現(xiàn)象在 SiC 技術(shù)中很常見(jiàn)，可以通過(guò)將 V_GS 降低到 ?5 V 來(lái)避免。

圖 8：20 mΩ、1200 V SiC MOSFET 模塊中不同 V_GS 的 V_f 與 I_f

V_TH，溫度相關(guān)性

在前幾章中，已經(jīng)介紹了當(dāng)施加正或負(fù)柵極偏壓時(shí)的 V_TH 漂移。影響 V_TH 的另一個(gè)因素是溫度。與所有 MOSFET 一樣，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 具有負(fù)溫度系數(shù)。結(jié)果是，V_TH 可以從 25℃ 時(shí)的約 2.6 V 典型值降低到 175℃ 時(shí)的 1.8 V。圖 9 顯示了 40 mΩ 器件在不同溫度下的典型 V_TH 值。在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器電路時(shí)必須考慮這一點(diǎn)，以避免不必要的寄生導(dǎo)通。再次重申，應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用溫度下考慮此數(shù)據(jù)。例如，與 125℃ 時(shí)相比，室溫下柵極處的 2 V 電壓尖峰觸發(fā)寄生導(dǎo)通的可能性更低。

圖 9：40 mΩ、1200 V SiC MOSFET 中的典型 V_TH 值與溫度

為了在對(duì)寄生導(dǎo)通敏感的拓?fù)洌ㄈ绨霕颍┲斜３职踩６?。建議在器件關(guān)閉時(shí)設(shè)置負(fù) V_GS。

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