碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)勢？

通過SiC系列的文《SiC材料到底“cool”在哪里？》，我們了解到了SiC材料本身的卓越性能。那么，使用SiC材料做成的器件又會有什么過人之處呢？接下來就讓我們一探究竟吧。

• 相比Si IGBT，CoolSiC? 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(lǐng)域IGBT 應(yīng)用更為普遍。那么，IGBT 和MOSFET 究竟有哪些區(qū)別呢？其實它們的結(jié)構(gòu)非常相似，正面采用多晶硅與漂移區(qū)形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，作為門極；漂移區(qū)普遍采用N型摻雜的半導(dǎo)體來承受阻斷電壓；門極施加正壓（高于器件閾值電壓）時，器件導(dǎo)通，通態(tài)電流在漂移區(qū)縱向流動。區(qū)別主要在于IGBT 在漂移區(qū)背面有P+注入作為集電極，而MOSFET 直接在N漂移區(qū)背面淀積金屬作為漏極。IGBT 背面的P+決定了它是雙極型器件，在器件導(dǎo)通時，發(fā)射極注入電子，而集電極注入空穴，兩種載流子均參與導(dǎo)電。在器件關(guān)斷時，多余的空穴只能在體內(nèi)進(jìn)行復(fù)合，從而造成拖尾電流，增加了關(guān)斷損耗，限制了開關(guān)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(guān)斷損耗。目前IGBT 能實現(xiàn)系統(tǒng)的開關(guān)頻率均在100kHz 以下。而MOSFET 只依賴電子進(jìn)行導(dǎo)電，關(guān)斷時電子可以迅速被抽走，沒有拖尾電流，因而關(guān)斷損耗更小，且基本不隨溫度變化。

下面我們通過實際測試數(shù)據(jù)來直觀感受一下SiC 的優(yōu)勢。

1）開關(guān)損耗

圖2是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3) 與CoolSiC? MOSFET (IMW120R045M1) 在同一平臺下進(jìn)行開關(guān)損耗的對比測試結(jié)果。母線電壓800V, 驅(qū)動電阻RG=2.2Ω，驅(qū)動電壓為15V/-5V。使用1200V/20A G5 肖特基二極管 IDH20G120C5作為續(xù)流二極管。在開通階段，40A 的電流情況下，CoolSiC? MOSFET 開通損耗比IGBT 低約50%，且?guī)缀醪浑S結(jié)溫變化。這一優(yōu)勢在關(guān)斷階段會更加明顯，在25℃結(jié)溫下，CoolSiC? MOSFET 關(guān)斷損耗大約是IGBT 的20%，在175℃的結(jié)溫下，CoolSiC? MOSFET 關(guān)斷損耗僅有IGBT 的10%（關(guān)斷40A電流）。且開關(guān)損耗溫度系數(shù)很小。

2）導(dǎo)通損耗

圖3是1200V HighSpeed3 IGBT (IGW40N120H3) 與CoolSiC? MOSFET (IMW120R045M1) 的輸出特性對比。常溫下，兩個器件在40A 電流下的導(dǎo)通壓降相同。當(dāng)小于40A 時，CoolSiC? MOSFET 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, 拐點之后電流隨電壓線性增長。當(dāng)負(fù)載電流為15A 時，在常溫下，CoolSiC? 的正向壓降只有IGBT 的一半，在175℃結(jié)溫下，CoolSiC? MOSFET 的正向壓降約是IGBT 的80%。在實際器件設(shè)計中，CoolSiC? MOSFET 比IGBT 具有更低的導(dǎo)通損耗。

3）體二極管續(xù)流特性

CoolSiC? MOSFET 的本征二極管有著和SiC肖特基二極管類似的快恢復(fù)特性。25℃時，它的Qrr和相同電流等級的G5 SiC 二極管近乎相等。然而，反向恢復(fù)時間及反向恢復(fù)電荷都會隨結(jié)溫的增加而增加。從圖4(a)中我們可以看出，當(dāng)結(jié)溫為175℃時，CoolSiC? MOSFET 的Qrr略高于G5 肖特基二極管。圖4(b)比較了650V 41mΩ Si MOSFET 本征二極管和CoolSiC? MOSFET 本征二極管的性能。在常溫及高溫下，1200V CoolSiC? MOSFET 體二極管僅有Si MOSFET 體二極管Qrr的10%。

• 相比其它MOSFET，CoolSiC? 好在哪兒？

我們已經(jīng)了解到，SiC 材料雖然在擊穿場強(qiáng)、熱導(dǎo)率、飽和電子速率等方面相比于Si材料有著絕對的優(yōu)勢，但是它在形成MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)的時候，SiC-SiO2 界面電荷密度要遠(yuǎn)大于Si-SiO2，這樣造成的后果就是SiC表面電子遷移率要遠(yuǎn)低于體遷移率，從而使溝道電阻遠(yuǎn)大于體電阻，成為器件通態(tài)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(qū)別。目前常見的SiC MOSFET 都是平面柵結(jié)構(gòu)，Si-面上形成導(dǎo)電溝道，缺陷較多，電子遷移率低。英飛凌CoolSiC? MOSFET 采用Trench 溝槽柵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電溝道從水平的晶面轉(zhuǎn)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(qū)動更加容易，壽命更長。

SiC MOSFET 在阻斷狀態(tài)下承受很高的電場強(qiáng)度，對于Trench 器件來說，電場會在溝槽的轉(zhuǎn)角處集中，這里是MOSFET 耐壓設(shè)計的一個薄弱點。英飛凌采用了嶄新的非對稱溝槽結(jié)構(gòu)，如下圖所示。在這個結(jié)構(gòu)中，溝槽左側(cè)有N+源極及P基區(qū)，可以形成正常的MOS導(dǎo)電溝道；溝槽的另外一側(cè)大部分都被高摻雜的深P阱包圍，在阻斷狀態(tài)下，這個P阱可以減弱施加在溝槽柵氧上的電場強(qiáng)度；在反向續(xù)流狀態(tài)時，可以充當(dāng)快恢復(fù)二極管使用，性能優(yōu)于常規(guī)MOSFET體二極管。

相比于其它SiC MOSFET, CoolSiC? MOSFET 有以下獨特的優(yōu)勢：

a）為了與方便替換現(xiàn)在的Si IGBT，CoolSiC? MOSFET 推薦驅(qū)動電壓為15V，與現(xiàn)在Si 基IGBT 驅(qū)動需求兼容。CoolSiC? MOSFET 典型閾值電壓4.5V, 高于市面常見的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(fā)。

b）CoolSiC? MOSFET 有優(yōu)化的米勒電容Cgd 與柵源電容Cgs 比值，在抑制米勒寄生導(dǎo)通的同時，兼顧高開關(guān)頻率。

c）大面積的深P 阱可以用作快恢復(fù)二極管，具有極低的Qrr 與良好的魯棒性。

d）CoolSiC? MOSFET提供芯片，單管，模塊多種產(chǎn)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(dǎo)通，并減少開關(guān)損耗。模塊有EASY1B,EASY 2B, 62mm 等等, 可以覆蓋多種功率等級應(yīng)用。模塊采用低寄生電感設(shè)計，為并聯(lián)設(shè)計優(yōu)化，使PCB 布線更容易。

綜上所述，CoolSiC? MOSFET是一場值得信賴的技術(shù)革命，憑借它的獨特結(jié)構(gòu)和精心設(shè)計，它將帶給用戶一流的系統(tǒng)效率，更高的功率密度，更低的系統(tǒng)成本。（英飛凌igbt廠家）