剖析SiC-MOSFET特征及其與Si-MOSFET的區(qū)別 1

功率轉(zhuǎn)換電路中的晶體管的作用非常重要，為進(jìn)一步實現(xiàn)低損耗與應(yīng)用尺寸小型化，一直在進(jìn)行各種改良。SiC功率元器件半導(dǎo)體有如下優(yōu)勢，如低損耗、高速開關(guān)、高溫工作等，顯而易見這些優(yōu)勢是非常有用的。本章將通過其他功率晶體管的比較，進(jìn)一步加深對SiC-MOSFET的理解。

一、SiC-MOSFET的特征

通過與Si功率元器件的比較，來表示SiC-MOSFET的耐壓范圍。目前SiC-MOSFET有用的范圍是耐壓600V以上、特別是1kV以上。關(guān)于優(yōu)勢，現(xiàn)將1kV以上的產(chǎn)品與當(dāng)前主流的Si-IGBT來比較一下看看。

相對于IGBT，SiC-MOSFET降低了開關(guān)關(guān)斷時的損耗，實現(xiàn)了高頻率工作，有助于應(yīng)用的小型化。相對于同等耐壓的SJ-MOSFET（超級結(jié)MOSFET），導(dǎo)通電阻較小，可減少相同導(dǎo)通電阻的芯片面積，并顯著降低恢復(fù)損耗。

下表是600V～2000V耐壓的功率元器件的特征匯總。

雷達(dá)圖的RonA為單位面積的導(dǎo)通電阻（表示傳導(dǎo)時損耗的參數(shù)），BV為元器件耐壓，Err為恢復(fù)損耗，Eoff為關(guān)斷開關(guān)的損耗。SiC已經(jīng)很完美，在目前情況的比較中絕非高估。

二、功率晶體管的結(jié)構(gòu)與特征比較

本篇側(cè)重比較功率晶體管的結(jié)構(gòu)和特征。

下圖是各功率晶體管的結(jié)構(gòu)、耐壓、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度的比較。

使用的工藝技術(shù)不同結(jié)構(gòu)也不同，因而電氣特征也不同。補充說明一下，DMOS是平面型的MOSFET，是常見的結(jié)構(gòu)。Si的功率MOSFET，因其高耐壓且可降低導(dǎo)通電阻，近年來超級結(jié)（Super Junction）結(jié)構(gòu)的MOSFET（以下簡稱“SJ-MOSFET”）應(yīng)用越來越廣泛。關(guān)于SiC-MOSFET，這里給出了DMOS結(jié)構(gòu)，不過目前ROHM已經(jīng)開始量產(chǎn)特性更優(yōu)異的溝槽式結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET。具體情況計劃后續(xù)進(jìn)行介紹。

在特征方面，Si-DMOS存在導(dǎo)通電阻方面的課題，如前所述通過采用SJ-MOSFET結(jié)構(gòu)來改善導(dǎo)通電阻。IGBT在導(dǎo)通電阻和耐壓方面表現(xiàn)優(yōu)異，但存在開關(guān)速度方面的課題。SiC-DMOS在耐壓、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度方面表現(xiàn)都很優(yōu)異，而且在高溫條件下的工作也表現(xiàn)良好，可以說是具有極大優(yōu)勢的開關(guān)元件。

這張圖是各晶體管標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)通電阻和耐壓圖表。從圖中可以看出，理論上SiC-DMOS的耐壓能力更高，可制作低導(dǎo)通電阻的晶體管。目前SiC-DMOS的特性現(xiàn)狀是用橢圓圍起來的范圍。通過未來的發(fā)展，性能有望進(jìn)一步提升。

三、SiC-MOSFET與Si-MOSFET的區(qū)別

本文將介紹與Si-MOSFET的區(qū)別。尚未使用過SiC-MOSFET的人，與其詳細(xì)研究每個參數(shù)，不如先弄清楚驅(qū)動方法等與Si-MOSFET有怎樣的區(qū)別。在這里介紹SiC-MOSFET的驅(qū)動與Si-MOSFET的比較中應(yīng)該注意的兩個關(guān)鍵要點。

與Si-MOSFET的區(qū)別：驅(qū)動電壓

SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅(qū)動電壓即柵極－源極間電壓Vgs越高導(dǎo)通電阻越低的特性。下圖表示SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻與Vgs的關(guān)系。

導(dǎo)通電阻從Vgs為20V左右開始變化（下降）逐漸減少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅(qū)動電壓為Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建議在Vgs=18V前后驅(qū)動，以充分獲得低導(dǎo)通電阻。也就是說，兩者的區(qū)別之一是驅(qū)動電壓要比Si-MOSFET高。與Si-MOSFET進(jìn)行替換時，還需要探討柵極驅(qū)動器電路。

與Si-MOSFET的區(qū)別：內(nèi)部柵極電阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的內(nèi)部柵極電阻Rg依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸。如果是相同設(shè)計，則與芯片尺寸成反比，芯片越小柵極電阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此柵極電容小，但內(nèi)部柵極電阻增大。例如，1200V 80mΩ產(chǎn)品（S2301為裸芯片產(chǎn)品）的內(nèi)部柵極電阻約為6.3Ω。

這不僅局限于SiC-MOSFET，MOSFET的開關(guān)時間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內(nèi)部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值。SiC-MOSFET的內(nèi)部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此要想實現(xiàn)高速開關(guān)，需要使外置柵極電阻盡量小，小到幾Ω左右。

但是，外置柵極電阻還承擔(dān)著對抗施加于柵極的浪涌的任務(wù)，因此必須注意與浪涌保護之間的良好平衡。

與IGBT的區(qū)別

上一章針對與Si-MOSFET的區(qū)別，介紹了關(guān)于SiC-MOSFET驅(qū)動方法的兩個關(guān)鍵要點。本章將針對與IGBT的區(qū)別進(jìn)行介紹。

與IGBT的區(qū)別：Vd-Id特性

Vd-Id特性是晶體管最基本的特性之一。下面是25℃和150℃時的Vd-Id特性。

請看25℃時的特性圖表。SiC及Si MOSFET的Id相對Vd（Vds）呈線性增加，但由于IGBT有上升電壓，因此在低電流范圍MOSFET元器件的Vds更低（對于IGBT來說是集電極電流、集電極-發(fā)射極間電壓）。不言而喻，Vd-Id特性也是導(dǎo)通電阻特性。根據(jù)歐姆定律，相對Id，Vd越低導(dǎo)通電阻越小，特性曲線的斜率越陡，導(dǎo)通電阻越低。

IGBT的低Vd（或低Id）范圍（在本例中是Vd到1V左右的范圍），在IGBT中是可忽略不計的范圍。這在高電壓大電流應(yīng)用中不會構(gòu)成問題，但當(dāng)用電設(shè)備的電力需求從低功率到高功率范圍較寬時，低功率范圍的效率并不高。

相比之下，SiC MOSFET可在更寬的范圍內(nèi)保持低導(dǎo)通電阻。

此外，可以看到，與150℃時的Si MOSFET特性相比，SiC、Si-MOSFET的特性曲線斜率均放緩，因而導(dǎo)通電阻增加。但是，SiC-MOSFET在25℃時的變動很小，在25℃環(huán)境下特性相近的產(chǎn)品，差距變大，溫度增高時SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻變化較小。

與IGBT的區(qū)別：關(guān)斷損耗特性

前面多次提到過，SiC功率元器件的開關(guān)特性優(yōu)異，可處理大功率并高速開關(guān)。在此具體就與IGBT開關(guān)損耗特性的區(qū)別進(jìn)行說明。

眾所周知，當(dāng)IGBT的開關(guān)OFF時，會流過元器件結(jié)構(gòu)引起的尾（tail）電流，因此開關(guān)損耗增加是IGBT的基本特性。

比較開關(guān)OFF時的波形可以看到，SiC-MOSFET原理上不流過尾電流，因此相應(yīng)的開關(guān)損耗非常小。在本例中，SiC-MOSFET＋SBD（肖特基勢壘二極管）的組合與IGBT＋FRD（快速恢復(fù)二極管）的關(guān)斷損耗Eoff相比，降低了88%。

還有重要的一點是IGBT的尾電流隨溫度升高而增加。順便提一下，SiC-MOSFET的高速驅(qū)動需要適當(dāng)調(diào)整外置的柵極電阻Rg。這在前文“與Si-MOSFET的區(qū)別”中也提到過。