在正確的比較中了解SiC FET導(dǎo)通電阻隨溫度產(chǎn)生的變化

摘要

比較SiC開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)資料并非易事。由于導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)較低，SiC MOSFET似乎占據(jù)了優(yōu)勢(shì)，但是這一指標(biāo)也代表著與UnitedSiC FET相比，它的潛在損耗較高，整體效率低。

博客

諺語(yǔ)說(shuō)：“不怕低，只怕比”。這條諺語(yǔ)首次出現(xiàn)在1440年約翰·利德蓋特的《馬鵝羊之間的辯論》中。疲于比較的不僅僅是文章中的動(dòng)物，現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師們也不得不拼命從大量競(jìng)爭(zhēng)性主張中嘗試找出適合他們的應(yīng)用的功率開(kāi)關(guān)，并進(jìn)行比較，以獲得“最佳性能”。如果繼續(xù)以農(nóng)牧業(yè)來(lái)比喻，這個(gè)問(wèn)題就像是將一個(gè)蘋(píng)果與一堆蘋(píng)果相比較，因?yàn)槿绻豢紤]與其他指標(biāo)的權(quán)衡取舍，就不能評(píng)價(jià)任何單個(gè)電子參數(shù)的好壞。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻就是一個(gè)好例子，你必須在相同的額定電壓下，在各個(gè)制造商的建議柵極驅(qū)動(dòng)電壓下，在相同的結(jié)溫和漏極電流下，在相同的封裝中比較零件，才能了解這個(gè)參數(shù)。

Si-MOSFET、SiC-MOSFET和SiC FET競(jìng)爭(zhēng)上崗

在不低于幾百伏的較高電壓下，Si MOSFET、SiC MOSFET和UnitedSiC FET是同一個(gè)位置的有力競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，它們的數(shù)據(jù)資料中通常標(biāo)明特定額定電壓、結(jié)溫和柵極驅(qū)動(dòng)電壓下的RDS(ON)值。例如，UnitedSiC最近推出的零件UJ4C075018K4S就提供了在VGS = 12V、溫度為25°C至175°C、漏極電流為20A時(shí)的導(dǎo)通電阻值。從中，您可以輕松獲得該零件在給定溫度下的RDS(ON)溫度系數(shù)數(shù)值，在Tj =125°C時(shí)，該數(shù)值約為+70-75%。

650V SiC MOSFET的擁護(hù)者可能會(huì)指出，他們發(fā)現(xiàn)其他類(lèi)似器件在Tj =125°C下的該數(shù)值通常為+20-25%。這能說(shuō)明SiC MOSFET比其他器件好三倍嗎？恐怕不能這么武斷。首先，部分正溫度系數(shù)值是必要的，可以迫使晶粒中的單元分擔(dān)電流，而不會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)和熱散逸。同理，設(shè)計(jì)師依靠正值才能并聯(lián)器件，并自然分流。

SiC MOSFET的電阻由其反型溝道決定

SiC MOSFET較低的RDS(ON)溫度系數(shù)值實(shí)際上表明會(huì)出現(xiàn)較深層次的影響。MOSFET和JFET是“單載流子”器件，電子流會(huì)經(jīng)過(guò)不同區(qū)（基質(zhì)、漂移層、JFET區(qū)和溝道等）。在650V SiC MOSFET中，反型溝道決定了總電阻，而總電阻實(shí)際上會(huì)隨著溫度降低。溝道電阻與自由載流子數(shù)和反型層電子遷移率的乘積成反比。隨著溫度升高，閾值電壓會(huì)降低，而溝道中的自由載流子數(shù)會(huì)增加，因而電阻會(huì)降低。其余器件區(qū)（即JFET、漂移層和基質(zhì)電阻）的正溫度系數(shù)會(huì)抵消這種影響，從而產(chǎn)生不高的凈正Tc值。在SiC JFET中，沒(méi)有反型溝道來(lái)抵消JFET、漂移層和基質(zhì)的正溫度系數(shù)。同時(shí)，低壓Si MOSFET僅占總導(dǎo)通電阻的一小部分，這解釋了為什么采用它時(shí)的Tc值比采用SiC MOSFET時(shí)要高，不過(guò)有說(shuō)服力的一點(diǎn)是，SiC FET中不存在由不理想的SiC反型層造成的損耗（圖1）。

【圖1：典型的SiC MOSFET溝槽結(jié)構(gòu)和沒(méi)有大損耗SiC MOS反型溝道的UnitedSiC FET，后者有較高的導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)，但是損耗較低】

SiC FET的整體導(dǎo)電損耗較低

如果審視絕對(duì)值，則會(huì)發(fā)現(xiàn)決定性的證據(jù)。如圖2所示，在比較650/750V器件的RDS(ON)時(shí)，在25°C時(shí)，UnitedSiC FET的導(dǎo)通電阻大約是SiC MOSFET的三分之一，優(yōu)勢(shì)最明顯，在150°C時(shí)，仍比后者好2倍左右，在相同有效晶粒面積下，前者帶來(lái)的導(dǎo)電損耗大約是后者的一半。

【圖2：UnitedSiC FET導(dǎo)通電阻的Tc較高，但是絕對(duì)值較低】

采用UnitedSiC FET的最終效果是整體導(dǎo)電損耗較低，且RDS(ON)的正溫度系數(shù)十分健康，可確保單元和并聯(lián)器件之間實(shí)現(xiàn)有效分流。很明顯，確保合理進(jìn)行比較并理解這種效果背后的機(jī)制是值得的，它揭示了什么才是真正重要的，那就是較低的整體損耗。

審核編輯：湯梓紅