什么是SiC MOSFET？

碳化硅，或SiC，作為一種半導(dǎo)體材料，正在逐漸嶄露頭角，廣泛應(yīng)用于電源電子領(lǐng)域。相較于其他可用技術(shù)，碳化硅MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）表現(xiàn)出顯著的性能提升，為眾多電子應(yīng)用帶來(lái)了新的可能性。

碳化硅的本質(zhì)

碳化硅可能不常與半導(dǎo)體器件聯(lián)系在一起，但它已經(jīng)存在多年。在20世紀(jì)20年代甚至更早的水晶收音機(jī)時(shí)代，就已經(jīng)開(kāi)始使用碳化硅或者叫碳化硅晶體作為探測(cè)器件，這些后來(lái)演化為了第一批廣泛應(yīng)用的硅碳（SiC）二極管。

碳化硅是通過(guò)高溫下將二氧化硅（硅的一種形式）與碳結(jié)合而成的。通過(guò)精煉和加工，制備出碳化硅器件所需的原始材料。這些電子元件可以包括SiC二極管、SiCFET或SiC MOSFET等。

由于其特殊屬性，碳化硅如今被廣泛應(yīng)用于許多功率器件的半導(dǎo)體材料。其關(guān)鍵特性之一是極高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，這使得制造高電壓半導(dǎo)體器件成為可能，特別是SiC MOSFET。

碳化硅MOSFET的采用

碳化硅技術(shù)并沒(méi)有像許多其他新技術(shù)一樣立即被廣泛采用，它需要時(shí)間來(lái)發(fā)展和成熟。

盡管碳化硅在電子領(lǐng)域已經(jīng)使用多年，例如20世紀(jì)20年代的水晶無(wú)線電探測(cè)器，甚至更早的無(wú)線電信號(hào)探測(cè)中使用碳化硅（也稱(chēng)為碳化硅），但要將這項(xiàng)技術(shù)變得可行并投入商業(yè)應(yīng)用還需要一些時(shí)間。

碳化硅不像硅那樣易于加工，因此要使這項(xiàng)技術(shù)變得可行，不僅需要使其工作正常，還需要降低其制造成本。

多年來(lái)，制造成本一直是限制SiC技術(shù)采用的一個(gè)因素。與同等硅器件相比，碳化硅器件的襯底成本要高得多。此外，材料本身的基本特性和高缺陷密度意味著SiC MOSFET和SiC二極管多年來(lái)無(wú)法在許多應(yīng)用中生存下來(lái)。

然而，隨著時(shí)間的推移，碳化硅技術(shù)已經(jīng)進(jìn)化到了能夠降低缺陷密度并降低加工成本的水平。

因此，2011年1月，Cree公司發(fā)布了首款SiCMOSFET，型號(hào)為CMF20120D，額定電壓為1200V，導(dǎo)通電阻為80mΩ，采用TO-247封裝。這一重要的里程碑意味著可行的Si CMOSFET已面世，盡管價(jià)格較同類(lèi)IGBT要高。然而，其在更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的效率和更好的熱性能方面的卓越性能意味著許多公司將其用于新的電子電路設(shè)計(jì)中。

碳化硅MOSFET的優(yōu)勢(shì)

碳化硅MOSFET在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出成熟的應(yīng)用，特別是在電力電子領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的開(kāi)關(guān)特性使其特別適用于眾多新的電子電路設(shè)計(jì)。

SiC MOSFET與傳統(tǒng)的硅MOSFET類(lèi)似，但有一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)需要考慮。以下是SiC MOSFET的一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

1.高壓擊穿：碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍，因此可以制造更小、電壓更高的SiC MOSFET。這使得在使用更薄的漂移層的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓成為可能。

2.電流密度：SiC MOSFET提供比硅MOSFET高得多的電流密度，這對(duì)于高功率應(yīng)用至關(guān)重要。

3.高溫工作：碳化硅MOSFET可以在更高的溫度下工作，這意味著它們可以利用更高的電流密度，而無(wú)需考慮器件的實(shí)際溫度。

4.低開(kāi)關(guān)損耗：碳化硅技術(shù)使SiC MOSFET具有更低的導(dǎo)通電阻，這導(dǎo)致較低的電阻損耗。

5.高開(kāi)關(guān)頻率：SiC MOSFET具有更高的開(kāi)關(guān)速度，這意味著可以使用更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而縮小了電子電路設(shè)計(jì)的尺寸，降低了成本。

6.反向恢復(fù)時(shí)間短：SiC MOSFET的反向恢復(fù)時(shí)間為幾十納秒，遠(yuǎn)快于硅MOSFET，這對(duì)于提高電路的操作速度非常重要。

SiC MOSFET電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

盡管SiC MOSFET在電子電路設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出色，但也需要考慮一些注意事項(xiàng)：

1.柵極驅(qū)動(dòng)要求：SiC MOSFET需要更高的柵源電壓才能實(shí)現(xiàn)低VDS飽和電壓。電子電路設(shè)計(jì)需要確保提供正確的柵極驅(qū)動(dòng)要求。

2.輸入和輸出隔離：由于SiC MOSFET常用于功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用，輸入和輸出之間需要隔離變壓器，以確保開(kāi)關(guān)信號(hào)可以通過(guò)輸入端進(jìn)行。

3.電磁干擾（EMI）：SiC MOSFET的高開(kāi)關(guān)速度會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，電子電路設(shè)計(jì)需要考慮這一點(diǎn)。

4.額外的源極引腳：SiC MOSFET中的一些器件具有額外的源極引腳，用于降低雜散電感和電阻的影響，確保輸入電路與輸出隔離。

5.RDS(ON)隨溫度變化：SiC MOSFET的RDS(ON)值在工作溫度范圍內(nèi)變化較小，這使得它們?cè)诟邷丨h(huán)境下表現(xiàn)出色。

6.高VDS規(guī)格：SiC MOSFET具有高擊穿電壓，可用于許多電源應(yīng)用，如開(kāi)關(guān)模式電源和電壓轉(zhuǎn)換器。

7.反向恢復(fù)時(shí)間：SiC MOSFET的快速反向恢復(fù)時(shí)間可用于提高電路操作速度，減小電感器和電容器的尺寸。

碳化硅開(kāi)關(guān)模塊

除了基本的SiCMOSFET外，許多公司還提供SiC開(kāi)關(guān)模塊，這些模塊集成了所需的開(kāi)關(guān)電路，包括柵極驅(qū)動(dòng)器、緩沖電路和EMI濾波器等。這些模塊適用于許多電路設(shè)計(jì)，提供了有效的解決方案，可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并降低成本。

總之，碳化硅MOSFET代表了半導(dǎo)體技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向，其卓越性能和適用性使其在眾多電源和功率電子應(yīng)用中成為理想的選擇。雖然要考慮一些特定的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，但它們已經(jīng)在許多領(lǐng)域取得了成功，并為電子電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的可能性。