入了解SiC MOSFET實現建議和解決方案示例

入了解SiC MOSFET實現建議和解決方案示例

佚名 發表於 2018-07-04 09:01:39

對於電網轉換、電動汽車或家用電器等高功率應用，碳化矽 (SiC) MOSFET 與同等的矽 IGBT 相比具有許多優勢，包括更快的開關速度、更高的電流密度和更低的導通電阻。但是，SiC MOSFET 也存在自己的一系列問題，包括穩健性、可靠性、高頻應用中的瞬時振蕩，以及故障處理等。

對設計人員而言，成功應用 SiC MOSFET 的關鍵在於深入了解 SiC MOSFET 獨有的工作特徵及其對設計的影響。本文將提供此類見解，以及實現建議和解決方案示例。

為何使用 SiC MOSFET

要充分認識 SiC MOSFET 的功能，一種有用的方法就是將它們與同等的矽器件進行比較。SiC 器件可以阻斷的電壓是矽器件的 10 倍，具有更高的電流密度，能夠以 10 倍的更快速度在導通和關斷狀態之間轉換，並且具有更低的導通電阻。例如，900 伏 SiC MOSFET 可以在 1/35 大小的晶片內提供與 Si MOSFET 相同的導通電阻（圖 1）。

圖 1：SiC MOSFET（右側）與矽器件相比，具有更低的導通電阻和更高的電壓耐受能力。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

標準矽 MOSFET 在高至 150°C 的溫度條件下工作時，RDS(on) 導通電阻要高出 25°C 時典型值的兩倍。採用正確封裝時，SiC MOSFET 可獲得 200°C 甚至更高的額定溫度。SiC MOSFET 的超高工作溫度也簡化了熱管理，從而減小了印刷電路板的外形尺寸，並提高了系統穩定性。

設計挑戰

然而，SiC MOSFET 技術可能是一把雙刃劍，在帶來改進的同時，也帶來了設計挑戰。在諸多挑戰中，工程師必須確保：

• 以最優方式驅動 SiC MOSFET，最大限度降低傳導和開關損耗。

• 最大限度降低柵極損耗。柵極驅動器需要能夠以最小的輸出阻抗和高電流能力，提供 +20 伏和 -2 伏到 -5 伏負偏壓。

• 尤其當開關速度較快時，必須特別留意系統的寄生效應。具體而言，這指的是矽模塊周圍通常存在的電感和電容之外的雜散電感和電容。

• 需要認識到，SiC MOSFET 的輸出開關電流變化率 (di/dt) 遠高於 Si MOSFET。這可能增加直流總線的瞬時振蕩、電磁幹擾以及輸出級損耗。高開關速度還可能導致電壓過衝。

• 滿足高電壓應用的可靠性和故障處理性能要求。

下面我們來了解一下存在的主要問題以及如何解決這些問題。

傳導和開關損耗

影響開關行為的主要方面包括關斷能量、導通能量、所謂的米勒效應，以及柵極驅動電流要求。

關斷能量 (Eoff) 取決於柵極電阻 (RG) 和 RGS(off)（柵源電壓，關閉）。通過降低 RG 或在關閉時間內使用負柵極偏壓，可以增加柵極的漏電流，從而降低 Eoff。為此，SiC MOSFET 的驅動器 IC 應該能夠管理較小的負柵極電壓，以便提供安全、穩定的關斷狀態。

導通能量通常是指將 MOSFET 寄生電容充電至實現較低 RDS(on) 所需的電壓電平的過程。與關斷能量一樣，通過減小 RG 也能提升導通能量。Eon 與 Rg 的對比圖表顯示，當柵極電阻從 10 Ω 變為 1 Ω 時，導通能量幾乎降低了 40%（圖 2）。

圖 2：Eon 與 Rg 的對比；通過降低柵極電阻 (Rg) 改善導通性能。（圖片來源：STMicroelectronics）

米勒效應

如果橫跨柵極電阻器的壓降超過了半橋轉換器的上 MOSFET 的閾值電壓，則會發生稱為「米勒導通」或「米勒效應」的寄生導通。當存在米勒導通時，反向恢復能量 (Err) 可能會嚴重影響全局開關損耗。

為應對這一點，SiC MOSFET 驅動器可以加入一項米勒箝位保護功能，以控制半橋配置中功率級開關期間的米勒電流（圖 3）。

圖 3：米勒箝位是一種眾所周知的方法，可用於避免因寄生 dVds/dt 觸發的導通。圖中顯示的原理圖是米勒箝位保護連接的一個示例。（圖片來源：STMicroelectronics）

當電源開關處於「關閉」狀態時，驅動器將會工作，以免當同一支路上的另一個開關處於導通狀態時，因柵極電容而可能出現感應導通現象。

減小導通電阻

ROHM 的 SCT3030KLGC11 是一種良好的低導通電阻 SiC MOSFET，作為第三代器件，它在 1,200 伏電壓下工作，具有 30 毫歐姆 (mΩ) 的導通電阻。它使用專有的溝槽式柵極結構，與之前的平面式 SiC MOSFET 相比，將輸入電容減小了 35%，將導通電阻減小了 50%。

溝槽式柵極指的是一種結構，其中的 MOSFET 柵極是在晶片表面構建的一個凹槽的側壁上成形的。ROHM 的測試表明，第三代解決方案可以在約 50 納秒 (ns) 的時間內從 0 伏驟升至 800 伏。

但設計人員需要了解一項參數權衡，即新器件的短路電流耐受能力相對較低。這是因為，與上一代器件相比，獲得給定導通電阻所需的矽量已幾乎減半。較小的矽片在短路狀態下沒有足夠的物質量來承受較長時間的短路電流。

SiC MOSFET 的柵極驅動要求

SiC MOSFET 需要的柵極電壓擺動高於標準超級結 MOSFET 和 IGBT。以 STMicroelectronics 的 SCT30N120 為例，它是一個 1200 伏、80 mΩ（典型值）SiC MOSFET，建議採用較高的（+20 伏）正偏壓柵極驅動，以便最大限度減小損耗。不建議在正方向使用超過 +20 伏的電壓驅動該 SiC MOSFET，因為 VGS 的最大絕對額定值為 +25 伏。該電壓可以低至 +18 伏，但這會導致 RDS(ON) 增大約 25%（20 A、25°C 時）。

根據具體應用，還可能需要 -2 伏至 -6 伏範圍的負「關斷」柵極電壓。驅動器的最大供電電壓額定值必須介於 22 伏與 28 伏之間，具體取決於是否應用了負「關斷」電壓。鑑於器件開關所需的柵極電荷較低，較高的電壓擺動不會影響所需的柵極驅動功率。

可使用相關規格書中所列的柵極電荷，輕鬆計算導通或關斷 MOSFET 所需的柵極電流。對於 SCT30N120，VDD = 800 V、ID = 20 A、VGS = -2 至 20 V 條件下的總柵極電荷 (Qg) 通常為 106 毫微庫侖 (nC)。要實現最快的開關速度，驅動器必須能夠拉出或灌入在 RG = 1 Ω、VGS(on) = +20 V 和 VGS(off) = -2 V 條件下測得的柵極峰值電流。這時，兩種情形（灌入/拉出）下的峰值柵極電流均低於 2 A。

最大限度減少寄生效應和電磁幹擾

器件的高速開關瞬態為電路中存在的寄生電感和電容提供了額外的能量。這些寄生效應形成的諧振電路可能導致電壓和電流過衝及瞬時振蕩。當一個 MOSFET 處於導通狀態，而另一個 MOSFET 正承載續流電流時，將會出現電壓過衝，這時即使幾毫微亨的雜散電感所產生的電壓降也可能導致問題。

在矽 IGBT 中，電流拖尾造成了一定數量的關斷緩衝，從而減少了電壓過衝和瞬時振蕩。SiC MOSFET 沒有電流拖尾，因而漏極電壓過衝和寄生瞬時振蕩明顯高得多。

設計人員可通過以下方法降低這類寄生效應：

高速開關的另一個結果是增加了電磁幹擾 (EMI)。這是因為在 MOSFET 的柵極電容充放電以及高速開關負載電流時，存在較高的變化率 (di/dt) 值。如果需要滿足 EMI 標準，則減小在高頻應用中開關 SiC MOSFET 時的瞬時振蕩非常重要。

可靠性和故障處理

由於在 SiC 功率 MOSFET 中使用氧化物作為柵極絕緣層，該氧化物對器件的可靠性有直接的影響。在提高開關速度時，如果柵極氧化物承受的電壓超過了建議的工作值，則可能導致永久性故障。

早期的 SiC MOSFET 中存在這一問題，但有充分的證據表明，此問題現在已經得到了有效的控制。

例如，Cree（Wolfspeed 旗下部門）的氧化物層與 Si MOSFET1 的氧化物層同樣可靠。假定柵極氧化物上的應力保持在容許的水平以內，最新的柵極氧化物技術可以在高溫工作時實現長期可靠性。據 Wolfspeed 稱，用於提供 20 伏電壓的柵極，經評估具有一千萬小時的使用壽命。

SiC MOSFET 的短路耐受時間通常約為 3 毫秒 (µs)，因此要實現可靠的 SiC MOSFET 操作和較長的使用壽命，快速檢測和快速關斷功能不可或缺。此外，重複的短路放電可能增大 SiC MOSFET 的導通電阻。

使用入門

設計人員可使用多種工具來幫助他們熟悉 SiC MOSFET。Cree 的 KIT8020CRD8FF1217P-1 SiC MOSFET 評估套件（圖 4）是其中值得研究的工具之一。它旨在演示所有採用標準 TO-247 封裝的 Cree 1200 伏 MOSFET 和肖特基二極體的性能。其中包含了需要的全部功率級零件，可以快速組裝一個基於 Cree SiC MOSFET 和二極體的電源轉換器，並在半橋電路中搭配使用 SiC 器件。

它可以配置為不同的電源轉換拓撲（例如降壓或升壓），輕鬆獲取用於測量（包括 VGS、VDS 和 IDS）的關鍵測試點。

圖 4：Cree KIT8020CRD8FF1217P-1 SiC MOSFET 評估套件的總體框圖。該評估板上採用帶有電氣隔離的柵極驅動塊來驅動 SiC MOSFET Q1 和 Q2。（圖片來源：Cree Semiconductor）

該套件包含一個採用半橋配置並帶有兩個 Cree 80 mΩ、1200 伏 MOSFET 和兩個 1200 伏、20 安肖特基二極體的評估板，一個帶安裝孔的擠制鋁材散熱器、隔離式柵極驅動器、一個鐵氧體磁珠、電源以及快速組裝功率級所需的其他所有組件。

總結

通過使用快速開關式 SiC 半導體來提高工作頻率，可以獲得以下好處：降低產品經濟壽命期內的損耗、降低熱管理要求、減小電感器尺寸，以及減少避免 EMI 問題所需的濾波。

如前所述，要充分利用 SiC MOSFET，必須考慮寄生效應、導通電阻和故障處理等諸多因素。不過，通過增強意識、使用經驗證的解決方案和入門套件，以及遵循良好的工程實踐，將有助於避免出現任何問題，確保設計取得成功。

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