適用于運(yùn)輸領(lǐng)域的SiC：設(shè)計(jì)入門(mén)

在這篇文章中，作者分析了運(yùn)輸輔助動(dòng)力裝置（APU）的需求，并闡述了SiC MOSFET、二極管及柵極驅(qū)動(dòng)器的理想靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
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為什么使用寬帶隙（WBG）材料？

對(duì)于任何電力電子工程師來(lái)說(shuō)，必須大致了解適用于功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的半導(dǎo)體物理學(xué)原理，以便掌握非理想器件的電氣現(xiàn)象及其對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的影響。理想開(kāi)關(guān)在關(guān)斷時(shí)的電阻無(wú)窮大，導(dǎo)通時(shí)的電阻為零，并且可在這兩種狀態(tài)之間瞬間切換。從定量角度來(lái)看，由于基于MOSFET的功率器件是單極性器件，因此與這一定義最為接近。功率MOSFET結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)通狀態(tài)電流通過(guò)單極傳輸，這意味著N溝道器件中只有電子。由于沒(méi)有少數(shù)載流子注入，因此在柵極偏壓降低到一定的閾值電壓以下后，電流會(huì)立即斷開(kāi)。

另一方面，雙極性器件可利用雙極性（電子-空穴）調(diào)制，將空穴注入基極，從而顯著提高導(dǎo)通能力。這些“額外”注入的載流子必須在器件從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)消除。這可通過(guò)以下兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電流消除電荷，二是通過(guò)電子-空穴重組過(guò)程。雙極性器件的這種固有特點(diǎn)會(huì)造成顯著的功率損失，從而降低開(kāi)關(guān)性能。因此，單極性器件更符合我們前文所述的三個(gè)理想條件之一，即理想的開(kāi)關(guān)可以在導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)之間瞬間切換。

圖1. 價(jià)帶和導(dǎo)帶之間較寬的能量帶隙可使SiC在關(guān)斷狀態(tài)下成為較好的隔離器，并且能減少M(fèi)OSFET的厚度

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如何改善另外兩個(gè)理想條件？

半導(dǎo)體器件內(nèi)的電流必須流經(jīng)一個(gè)稱為漂移區(qū)的區(qū)域（見(jiàn)圖2）。此區(qū)域的作用是完全阻斷關(guān)斷狀態(tài)下的額定電壓。阻斷電壓越高，需要的溝道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致電阻越大。這表明我們的理想功率開(kāi)關(guān)性能會(huì)隨著標(biāo)稱電壓的升高而變差。

考慮到硅材料的特性，高于200V的標(biāo)稱電壓會(huì)因溝道過(guò)長(zhǎng)而頗具挑戰(zhàn)性（使器件在電氣性能上和經(jīng)濟(jì)效益上都失去優(yōu)勢(shì)）。在這種情況下，IGBT等雙極性器件的優(yōu)勢(shì)較大（實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)權(quán)衡），寬帶隙半導(dǎo)體也是一種可以盡量減少不利影響的替代性技術(shù)解決方案。圖1重點(diǎn)介紹了寬價(jià)帶的優(yōu)勢(shì)（粒子不能占據(jù)這個(gè)帶區(qū)）。“寬帶隙”材料的主要優(yōu)點(diǎn)在于，在阻斷模式下可成為較好的隔離器（更接近左側(cè)的隔離器），在導(dǎo)通模式下可成為極其出色的導(dǎo)體（Si和SiC的載流子流動(dòng)性都很高）。

圖2. 漂移區(qū)更窄是SiC的WBG特性的主要影響，這是導(dǎo)致總Rdson增大的最大因素。

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目標(biāo)應(yīng)用中存在哪些寬帶隙優(yōu)勢(shì)？

我們已經(jīng)解釋過(guò)，WBG半導(dǎo)體支持采用固有快速M(fèi)OSFET結(jié)構(gòu)，適合非常高的阻斷電壓。對(duì)于諧振模式下的直流-直流轉(zhuǎn)換器，這一點(diǎn)尤為實(shí)用。輸出特性圖（圖3a）給出了有關(guān)這類器件導(dǎo)通性能的更多信息。Si-IGBT用作比較的參照物；我們可以看到，在某些交叉點(diǎn)上，當(dāng)接近兩種器件的標(biāo)稱電流時(shí)，SiC-MOSFET的固有性能更好（壓降更低）。這最終產(chǎn)生了一條平坦的效率曲線，并且有利于任何主要在略高于標(biāo)稱功率的輕載條件下工作的轉(zhuǎn)換器。

圖3. 直接影響功率開(kāi)關(guān)選擇的三個(gè)最重要電氣特性

如圖3c中所示，SiC-MOSFET結(jié)構(gòu)的第三象限（有時(shí)稱為整流象限）工作模式有一個(gè)非常有趣的特點(diǎn)。在這種模式下，SiC-MOSFET可以用作二極管。或者，如果我們導(dǎo)通溝道，則會(huì)開(kāi)啟器件并產(chǎn)生極小的導(dǎo)通損耗。這樣的開(kāi)關(guān)可用作雙向開(kāi)關(guān)，在兩個(gè)方向上的性能幾乎相同。
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柵極驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)

更高的柵極電壓需求：通常，SiC器件具有較寬的帶隙以及較高的P型基極層濃度水平（見(jiàn)圖2），因此其柵極電壓閾值較高，這樣主要是為了避免擊穿。因此，要在SiC功率MOSFET中達(dá)到合理的柵極驅(qū)動(dòng)電壓以完全打開(kāi)溝道，會(huì)成為一種根本性的挑戰(zhàn)。在圖3b中，捕捉到了SiC-MOS和Si-IGBT的典型傳輸特性。讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，SiC-MOS的溝道打開(kāi)速度略微“緩慢”，在20V左右時(shí)，Rdson達(dá)到最小值。鑒于此，柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)持續(xù)提供20V的柵極電壓，最好是可以進(jìn)行配置。

由于存在柵極電荷殘留，SiC-MOS結(jié)構(gòu)中必須具有負(fù)偏壓，同樣，最好可以進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。近乎理想的功率開(kāi)關(guān)和它們周?chē)姆庋b寄生元件（見(jiàn)圖4）的組合會(huì)引起過(guò)壓和振蕩。關(guān)鍵在于(a)盡量減少所有外部直流鏈路+連接+柵極路徑和內(nèi)部雜散高級(jí)功率模塊的封裝元件，包括開(kāi)爾文型柵極連接；(b)利用優(yōu)化的SiC-MOS技術(shù)；以及(c)在適用的情況下，采用先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，如圖4所示的有源柵極電壓控制（Augmented Switching?）。

圖4. 實(shí)現(xiàn)可靠、高效SiC-MOS驅(qū)動(dòng)的柵極驅(qū)動(dòng)器和封裝的主要假設(shè)

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總結(jié)

憑借快速開(kāi)關(guān)和高壓操作的出色組合，SiC MOSFET成為輔助電源的理想選擇，尤其是其出色的第三象限工作模式，進(jìn)一步凸顯了其優(yōu)勢(shì)。隨著電動(dòng)列車(chē)等新興技術(shù)的問(wèn)世，SiC MOSFET成為了更具吸引力的選擇，無(wú)論對(duì)軟開(kāi)關(guān)還是硬開(kāi)關(guān)均適用。借助可最大限度地減少寄生效應(yīng)的高級(jí)封裝技術(shù)和數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，這些強(qiáng)大的器件能夠充分發(fā)揮全部?jī)?yōu)勢(shì)。
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