寬帶隙半導(dǎo)體是一項關(guān)注度很高的替代技術(shù)

摘要：傳統(tǒng)硅基MOSFET技術(shù)日趨成熟，正在接近性能的理論極限。寬帶隙半導(dǎo)體的電、熱和機械特性更好，能夠提高M(jìn)OSFET的性能，是一項關(guān)注度很高的替代技術(shù)。

商用硅基功率MOSFET已有近40年的歷史，自問世以來，MOSFET和IGBT一直是開關(guān)電源的主要功率處理控制組件，被廣泛用于電源、電機驅(qū)動等電路設(shè)計。

不過，這一成功也讓MOSFET和IGBT體會到因成功反而受其害的含義。隨著產(chǎn)品整體性能的改善，特別是導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗的大幅降低，這些半導(dǎo)體開關(guān)的應(yīng)用范圍越來越廣。結(jié)果，市場對這些硅基MOSFET和IGBT的期望越來越高，對性能的要求越來越高。

盡管主要的半導(dǎo)體研發(fā)機構(gòu)和廠商下大力氣滿足市場要求，進(jìn)一步改進(jìn)MOSFET／ IGBT產(chǎn)品，但在某些時候，收益遞減法則占主導(dǎo)。幾年來，盡管付出投入很大，但成效收獲甚微。技術(shù)和產(chǎn)品最終發(fā)展到一個付出與收獲不成正比的階段，并不罕見，這是在為新的顛覆性方法和新產(chǎn)品問世奠定基礎(chǔ)。

對于MOSFET器件，這個顛覆性技術(shù)創(chuàng)新周期是開發(fā)和掌握新基礎(chǔ)材料的結(jié)果。與基于純硅的MOSFET比較，基于碳化硅（SiC）的MOSFET的性能更勝一籌。 請注意，本文對比測試所用產(chǎn)品不是研發(fā)樣品或演示原型，而是已經(jīng)商用的基于SiC的MOSFET。

作為一個重要的快速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，電動汽車和混動汽車（EV／HEV）的發(fā)展受益于MOSFET技術(shù)進(jìn)步，反過來又推到了MOSFET的研發(fā)制造活動。不管消費者是如何想的，這些滿載電池的汽車不只是一個大型電池組連接數(shù)個牽引電機那樣簡單（混動汽車還有一個小型汽油發(fā)動機給電池充電），而是需要大量電子模塊來驅(qū)動系統(tǒng)運行，管理設(shè)備，執(zhí)行特殊功能，如圖1所示。

圖1：電動汽車和混合動汽車不只是一臺大容量電池連接數(shù)臺牽引電機，還有許多較小的電子子系統(tǒng)及電源，以及給大型電池組充放電和管理電池組的高功率子系統(tǒng)。

電動汽車和混合動汽車所用的功率開關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括：

· 輪轂電機牽引逆變器（200 kW／最高20 kHz）；

· 交流輸入車載充電器（20 kW／50 kHz－200 kHz）；

· 選配快速充電功能（50 kW／50 kHz－200 kHz）

· 輔助功能電源：中控臺、電池管理控制、空調(diào)、信息娛樂系統(tǒng)、GPS、網(wǎng)絡(luò)連接（4 kW／ 50 kHz－200 kHz量級）

為什么要注重能效？ 續(xù)航里程顯然是消費者選購電動汽車和混合動汽車的重要考慮因素之一。逆變器的性能提高幅度即便很小，也能導(dǎo)致消費者能夠看到的汽車基本性能指標(biāo)明顯提高。

但是，要求高能效的不止于這一個因素，還有多種其它因素：

· 降低工作溫度，提高可靠性；

· 降低熱負(fù)荷，減少通過散熱器、散熱片、冷卻液和其它技術(shù)散發(fā)的熱量；

· 減少充電時間和基本用電量；

· 由于工作溫度較高的系統(tǒng)固有的要求和限制，整體封裝需要具有更大的靈活性；

· 更加輕松地符合法規(guī)要求。

SiC應(yīng)對挑戰(zhàn)

幸運的是，SiC提供了一條通向更高能效以及提高相關(guān)性能的途徑。在結(jié)構(gòu)和性能上，SiC MOSFET與主流的純硅MOSFET有何不同？簡而言之，SiC MOSFET是在SiC n ＋襯底上加一個 SiC n摻雜外延層（又稱漂移層），如圖2所示。關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)通電阻RDS（ON）在很大程度上取決于源極／基極和漂移層之間的溝道電阻RDrift。

圖2：不同于純硅MOSFET，SiC MOSFET在n ＋型 SiC襯底上面制作一個碳化硅外延（漂移）層，源極和柵極置于SiC漂移層頂部。

當(dāng)RDrift值給定，結(jié)溫是25？C時，SiC晶體管裸片實際面積是硅超結(jié)晶體管裸片面積的幾分之一，如果使兩個管子的芯片面積相同，那么SiC晶體管的性能要高出很多。另一個比較SiC和硅的方法是用大家熟悉的品質(zhì)因數(shù)（FOM），即RDS（ON） ×芯片面積（品質(zhì)因數(shù)越低越好）。在1200V阻斷電壓下，意法半導(dǎo)體的SiC MOSFET的FOM值很小，約為市面上最好的高壓硅MOSFET（900V超結(jié)管）的十分之一。

與牽引逆變器常用的硅基IGBT相比，SiC MOSFET主要有以下優(yōu)點：

· 開關(guān)損耗更低，在中小功率時，導(dǎo)通損耗更低；

· 沒有IGBT那樣的PN結(jié)電壓降；

· SiC器件具有堅固、快速的本征二極管，無需外部二極管；該本征二極管的恢復(fù)電荷極小，幾乎可以忽略不計；

· 工作溫度更高（200？C），從而降低了冷卻要求和散熱要求，同時提高了可靠性；

· 在能效相同的條件下，開關(guān)頻率是IGBT的4倍，由于無源器件和外部元件少，重量、尺寸和成本更低。

驅(qū)動器

經(jīng)驗豐富的工程師知道，功率器件只是整個系統(tǒng)的眾多重要組件之一。要想使設(shè)計變得可靠、高效，有成本效益，還需要給MOSFET選擇適合的驅(qū)動器。適合的驅(qū)動器是根據(jù)目標(biāo)MOSFET及其負(fù)載特有的電流變化率、電壓值和時序限制而專門設(shè)計的驅(qū)動器。由于硅基MOSFET技術(shù)已經(jīng)成熟，市面上有很多品牌的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器，保證驅(qū)動器／ MOSFET組合正常工作。

因此，人們關(guān)心SiC MOSFET驅(qū)動的難易程度，更關(guān)心驅(qū)動器在市場上是否有售，這是很正常的事情。令人興奮的是，驅(qū)動SiC MOSFET幾乎與驅(qū)動硅基MOSFET一樣容易，驅(qū)動一個80mΩ器件，只需要20V柵－源電壓、最大約2A的驅(qū)動電流。因此，在許多情況下都可以使用簡單標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動器。意法半導(dǎo)體和其它廠商開發(fā)出了針對SiC MOSFET優(yōu)化的柵極驅(qū)動器，例如ST TD350。

在這款先進(jìn)的柵極驅(qū)動器內(nèi)，創(chuàng)新的有源米勒鉗位功能大多數(shù)應(yīng)用中節(jié)省了負(fù)電壓柵極驅(qū)動，并允許使用簡單的自舉電源驅(qū)動高邊驅(qū)動器；電平和延遲可調(diào)節(jié)的兩級關(guān)斷功能可以預(yù)防關(guān)斷操作產(chǎn)生大量的過電壓，以防萬一發(fā)生過流或短路情況，兩級關(guān)斷功能中設(shè)置的延遲還可用于控制開關(guān)的開通操作，防止脈沖寬度失真。（為進(jìn)一步簡化SiC MOSFET的使用，意法半導(dǎo)體發(fā)布了題目為 “如何微調(diào)SiC MOSFET柵極驅(qū)動器，最大限度降低損耗”的應(yīng)用筆記，全面詳細(xì)介紹了驅(qū)動器的要求和最佳性能解決方案。）

不只是推斷，還是事實

制造工藝的進(jìn)步有時并不能保證新技術(shù)一定會產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用，而SiC MOSFET卻是一個例外。目前，SiC MOSFET已經(jīng)大批量生產(chǎn)，并被混動汽車和電動汽車采用，在能效、性能和工作條件方面取得切實的成效，并傳導(dǎo)到電路級和系統(tǒng)級。

我們用混動汽車和電動汽車的80kW牽引電機逆變器電源模塊做了一個SIC MOSFET與硅IGBT的對比測試，結(jié)果顯示，在許多關(guān)鍵參數(shù)方面，650V SIC MOSFET遠(yuǎn)勝硅IGBT。這個三相逆變器模塊采用雙極性PWM控制拓?fù)?，具?a target="_blank">同步整流模式。兩種器件都是按照結(jié)溫小于絕對最大額定結(jié)溫80％確定器件尺寸。硅 IGBT方案使用4個并聯(lián)的650V／200A IGBT和額定值相同的相關(guān)續(xù)流硅二極管；基于SIC MOSFET的方案設(shè)計采用7個并聯(lián)的650V／100A SiC MOSFET，未使用任何外部二極管（只用本征二極管）；額定峰值功率480Arms（10秒），正常負(fù)載230Arms。其它工作條件是：

· 直流電路電壓：400Vdc

· 開關(guān)頻率：16kHz

· SiC Vgs電壓 ＋20V／－5V，IGBT Vge電壓 ±15V

· 冷卻液溫度：85℃

· RthJ－C（IGBT－die）＝0．4℃／W； RthJ－C（SiC－die）＝1．25℃／W

· 在任何條件下，Tj ≤ 80％ ×Tjmax℃

下表列出了在額定峰值功率下的典型功率損耗：

注意到，SiC MOSFET與硅基IGBT對比，幾乎所有功率損耗參數(shù)都有明顯改善。當(dāng)并聯(lián)MOSFET時，所產(chǎn)生的RDS（ON） 導(dǎo)通電阻除以MOSFET的個數(shù)，致使導(dǎo)通損耗接近零，因此，SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗低于IGBT。相反，當(dāng)并聯(lián)IGBT時，所產(chǎn)生的VCE（SAT） 電壓不會線性下降，并且最小導(dǎo)通電壓降是限制在大約0．8至1 V范圍內(nèi)。

不難看出，在整個負(fù)載范圍內(nèi)，基于SiC的MOSFET解決方案的功率損耗低很多。由于導(dǎo)通電壓降較低，這些MOSFET在100％負(fù)載時的導(dǎo)通損耗也從125 W降低到55 W，如圖3a和3b所示。

圖3：a）在整個負(fù)載范圍內(nèi)，基于SiC的設(shè)計（紅線）的功耗比硅基IGBT（藍(lán)線）低很多（左圖）。 b）SiC系統(tǒng)（紅線）的能效明顯高于純硅方案（藍(lán)線），在較低的負(fù)載比時尤為顯著。

在低負(fù)載時，SiC器件的能效比硅IGBT高達(dá)3％；在整個負(fù)載范圍內(nèi)，總能效高至少 1％。盡管1％看起來似乎不高，但對于這個功率等級，1％代表了很高的功耗、耗散功率和散熱量。工程師知道，高溫是持久性能和可靠性的大敵。此外，高能效還能延長電動汽車?yán)m(xù)航里程，這是汽車制造商和消費者比較看重的價值主張。在16 kHz開關(guān)頻率下，比較SiC與IGBT的結(jié)溫，從低負(fù)載到滿負(fù)載，顯然SiC是贏家，兩者的冷卻液溫度均為85？C，如圖4所示。數(shù)據(jù)表明，因為損耗高，IGBT冷卻系統(tǒng)的效率必須更高。

圖4：結(jié)溫決定開關(guān)頻率高低、可靠性以及其它性能；在可靠性方面，SiC解決方案（紅線）優(yōu)于硅解決方案（藍(lán)線），直到100％負(fù)載仍然保持較低的Δ（Tj－Tfluid）溫差。

SiC器件結(jié)溫幾乎在整個開關(guān)頻率范圍內(nèi)都處于較低的水平，如圖5所示，甚至開關(guān)頻率低至8 kHz時，溫度也比IGBT低，硅基IGBT在46 kHz時已超出額定結(jié)溫范圍。

圖5：在整個開關(guān)頻率范圍內(nèi)，結(jié)溫低也是SiC器件的主要優(yōu)勢；這兩個方案在8 kHz時結(jié)溫大致相同，但之后SiC（紅線）逐漸優(yōu)于Si（藍(lán)線），后者隨著開關(guān)頻率的提高而大幅增加。

在峰值功率脈沖條件下，SiC MOSFET導(dǎo)通損耗高于IGBT，為使結(jié)溫保持在最高結(jié)溫以下（通常為200？C的Tjmax的80％），我們限定SiC MOSFET的尺寸，這時 SiC MOSFET具有以下優(yōu)勢：

· 芯片面積小，適合更緊湊的方案；

· 中低負(fù)載功率損耗低很多；

· 電池續(xù)航時間更長，延長汽車?yán)m(xù)航里程；

· 滿載時損耗更低，適用于更小的冷卻方案；

· 在整個負(fù)載范圍內(nèi)，結(jié)溫Tj和冷卻液溫度Tfluid的溫差小，可提高可靠性。

這些特性和優(yōu)點為用戶帶來了切實的好處，例如，能效提高至少1％（損耗降低75％）；逆變器側(cè)冷卻系統(tǒng)更小、更輕（減少約80％）；電源模塊更小、更輕（減少50％）。

成本考量

當(dāng)討論技術(shù)進(jìn)步及其帶來的好處時，不考慮成本因素的討論都是片面的。目前，SiC MOSFET的成本是硅IGBT的4－5倍，不過，SiC MOSFET在物料清單、冷卻系統(tǒng)和能耗方面的節(jié)省，降低了系統(tǒng)總成本，通常可以抵消掉這些基礎(chǔ)組件的成本差距。在未來2－5年，隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向大直徑晶圓，意法半導(dǎo)體已經(jīng)開始轉(zhuǎn)型，這一價差應(yīng)該會降至3倍甚至2．5倍，品質(zhì)因數(shù)RDSON × 面積也將得到改善，產(chǎn)量將會提高。從長遠(yuǎn)看，未來5－10年，隨著這些參數(shù)改進(jìn)，成本將會繼續(xù)降低。

SiC功率開關(guān)帶來了改進(jìn)性能的希望，同時也將這些希望變成了現(xiàn)實，在應(yīng)用和安裝中幾乎不存在設(shè)計折衷問題。隨著汽車廠商加緊研發(fā)混動汽車、電動汽車和許多相關(guān)電源模塊，以及其它以大功率電機為中心的應(yīng)用，SiC功率開關(guān)可以在成功設(shè)計中發(fā)揮重要作用，即使改進(jìn)步伐很小，也會為系統(tǒng)級帶來巨大的進(jìn)步。