SiC材料做成的器件又會有什麼過人之處呢?

SiC材料做成的器件又會有什麼過人之處呢？

李倩 發表於 2018-06-09 10:30:15

通過我們SiC系列的上一篇文章《SiC材料到底「cool」在哪裡？》，我們了解到了SiC材料本身的卓越性能。那麼，使用SiC材料做成的器件又會有什麼過人之處呢？接下來就讓我們一探究竟吧。

一、相比Si IGBT，CoolSiCTM好在哪兒？

目前IGBT和MOSFET都是廣泛使用的功率器件，特別是在高壓電力電子領域IGBT應用更為普遍。那麼，IGBT和MOSFET究竟有哪些區別呢？其實它們的結構非常相似，正面採用多晶矽與漂移區形成金屬-氧化物-半導體結構，作為門極；漂移區普遍採用N型摻雜的半導體來承受阻斷電壓；門極施加正壓（高於器件閾值電壓）時，器件導通，通態電流在漂移區縱向流動。區別主要在於IGBT在漂移區背面有P+注入作為集電極，而MOSFET直接在N漂移區背面澱積金屬作為漏極。IGBT背面的P+決定了它是雙極型器件，在器件導通時，發射極注入電子，而集電極注入空穴，兩種載流子均參與導電。在器件關斷時，多餘的空穴只能在體內進行複合，從而造成拖尾電流，增加了關斷損耗，限制了開關頻率的提高。而且在高溫下，拖尾電流更加明顯，造成更大的關斷損耗。目前IGBT能實現系統的開關頻率均在100kHz以下。而MOSFET只依賴電子進行導電，關斷時電子可以迅速被抽走，沒有拖尾電流，因而關斷損耗更小，且基本不隨溫度變化。

圖1 IGBT與MOSFET剖面結構圖

下面我們通過實際測試數據來直觀感受一下SiC 的優勢。

開關損耗

圖2是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3)與CoolSiCTM MOSFET (IMW120R045M1)在同一平臺下進行開關損耗的對比測試結果。母線電壓800V, 驅動電阻RG=2.2Ω，驅動電壓為15V/-5V。使用1200V/20A G5 肖特基二極體 IDH20G120C5作為續流二極體。在開通階段，40A的電流情況下，CoolSiCTM MOSFET開通損耗比IGBT低約50%，且幾乎不隨結溫變化。這一優勢在關斷階段會更加明顯，在25℃結溫下，CoolSiCTM MOSFET 關斷損耗大約是IGBT的20%，在175℃的結溫下，CoolSiCTM MOSFET關斷損耗僅有IGBT的10%（關斷40A電流）。且開關損耗溫度係數很小。

圖2  IGBT與 CoolSiCTM 開關損耗對比

導通損耗

圖3是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3) 與CoolSiCTM MOSFET (IMW120R045M1)的輸出特性對比。常溫下，兩個器件在40A電流下的導通壓降相同。當小於40A時，CoolSiCTMMOSFET顯示出近乎電阻性的特性，而IGBT則在輸出特性上有一個拐點，一般在1V~2V, 拐點之後電流隨電壓線性增長。當負載電流為15A時，在常溫下，CoolSiCTM的正向壓降只有IGBT的一半，在175℃結溫下，CoolSiCTMMOSFET的正向壓降約是IGBT的80%。在實際器件設計中，CoolSiCTMMOSFET比IGBT具有更低的導通損耗。

圖3 CoolSiCTM和IGBT導通損耗對比

體二極體續流特性

CoolSiCTM MOSFET 的本徵二極體有著和SiC肖特基二極體類似的快恢復特性。25℃時，它的Qrr和相同電流等級的G5 SiC二極體近乎相等。然而，反向恢復時間及反向恢復電荷都會隨結溫的增加而增加。從圖4(a)中我們可以看出，當結溫為175℃時，CoolSiCTM MOSFET 的Qrr略高於G5肖特基二極體。圖4(b)比較了650V 41mΩ Si MOSFET本徵二極體和CoolSiCTM MOSFET本徵二極體的性能。在常溫及高溫下，1200VCoolSiCTM MOSFET體二極體僅有Si MOSFET體二極體Qrr的10%。

圖4  CoolSiCTM MOSFET體二極體動態特性

二、相比其它MOSFET，CoolSiCTM好在哪兒？

我們已經了解到，SiC材料雖然在擊穿場強、熱導率、飽和電子速率等方面相比於Si材料有著絕對的優勢，但是它在形成MOS（金屬-氧化物-半導體）結構的時候，SiC-SiO2界面電荷密度要遠大於Si-SiO2，這樣造成的後果就是SiC表面電子遷移率要遠低於體遷移率，從而使溝道電阻遠大於體電阻，成為器件通態比電阻大小的主要成分。然而，表面電子遷移率在不同的晶面上有所區別。目前常見的SiC MOSFET都是平面柵結構，Si-面上形成導電溝道，缺陷較多，電子遷移率低。英飛凌CoolSiCTM MOSFET採用Trench溝槽柵結構，導電溝道從水平的晶面轉移到了豎直的晶面，大大提高了表面電子遷移率，使器件的驅動更加容易，壽命更長。

SiC MOSFET在阻斷狀態下承受很高的電場強度，對於Trench器件來說，電場會在溝槽的轉角處集中，這裡是MOSFET耐壓設計的一個薄弱點。英飛凌採用了嶄新的非對稱溝槽結構，如下圖所示。在這個結構中，溝槽左側有N+源極及P基區，可以形成正常的MOS導電溝道；溝槽的另外一側大部分都被高摻雜的深P阱包圍，在阻斷狀態下，這個P阱可以減弱施加在溝槽柵氧上的電場強度；在反向續流狀態時，可以充當快恢復二極體使用，性能優於常規MOSFET體二極體。

圖5 CoolSiCTM MOSFET剖面示意圖

相比於其它SiCMOSFET, CoolSiCTM MOSFET有以下獨特的優勢

為了與方便替換現在的Si IGBT，CoolSiCTM MOSFET推薦驅動電壓為15V，與現在Si基IGBT驅動需求兼容。CoolSiCTM MOSFET典型閾值電壓4.5V, 高於市面常見的2~3V的閾值電壓。比較高的閾值電壓可以避免門極電壓波動引起的誤觸發。

CoolSiCTM MOSFET有優化的米勒電容Cgd 與柵源電容Cgs比值，在抑制米勒寄生導通的同時，兼顧高開關頻率。

大面積的深P阱可以用作快恢復二極體，具有極低的Qrr與良好的魯棒性

CoolSiCTM  MOSFET提供晶片，單管，模塊多種產品。單管有TO-247 3pin 和    TO-247 4pin，開爾文接法可以防止米勒寄生導通，並減少開關損耗。模塊有EASY1B,EASY 2B, 62mm等等, 可以覆蓋多種功率等級應用。模塊採用低寄生電感設計，為並聯設計優化，使PCB布線更容易

下面是CoolSiCTM先期量產產品目錄

綜上所述，CoolSiCTM MOSFET是一場值得信賴的技術革命，憑藉它的獨特結構和精心設計，它將帶給用戶一流的系統效率，更高的功率密度，更低的系統成本。英飛凌一直走在SiC技術的最前沿，與用戶攜手前行，面對碳化矽應用市場的挑戰，從容應對，無懼未來。

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