別生氣了，仔細想想溫度的變化

同為工程師，沒有人想發(fā)生意外。盡管已經盡量在設計中使用數(shù)據(jù)手冊中的 “典型” 數(shù)據(jù)，但還是會發(fā)生意外，尤其在與溫度相關的情況中。本文將討論功率晶體管的重要參數(shù)以及這些參數(shù)如何受溫度的影響，進而激發(fā)大家進行深度思考。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務擴展到電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。

仔細想想就會發(fā)現(xiàn)，其實我們生活在 “非典型” 世界里。我們經常會聽到或使用 “典型” 一詞，在某種程度上，該詞是 “平均” 的同義詞，但從統(tǒng)計學角度來看，“平均” 也可能只發(fā)生過一次，所以不要事事優(yōu)先考慮 “典型”。

“典型” 的另一種解釋是形容發(fā)生得很頻繁以至于可以預測的事情。行為傾向尤其如此，當我們開始思考行為的頻率時，不可避免地會聯(lián)想到時間。

“時間” 是一個有趣的概念，尤其是因為時間永遠無法重復。那么，我們?yōu)槭裁匆^察某段時間內的行為頻率呢？可能是因為我們非常擅長模式識別。我們能夠自如地應對模式識別，而且 “典型” 模式已經成為衡量行為的首選方式。

這可能是我們?yōu)榱颂幚砻刻旖邮盏降拇罅?a target="_blank">信息而開發(fā)的一種機制。如果我們無法將事件歸類為 “典型”，即使該事件在靈活的變動幅度內，我們也要花費一整天，甚至每一天，來評估我們接觸到的一切。

當我們希望將 “典型” 延伸至 “總是” 或 “一成不變” 時，問題就來了。意外往往在我們最意想不到的時候出現(xiàn)，這就是 “意外” 的含義。但作為工程師，我們真的不喜歡意外，至少在設計中不希望出現(xiàn)意外，所以我們會盡一切可能避免發(fā)生意外。這讓我們嚴重依賴于數(shù)據(jù)手冊中的 “典型” 數(shù)據(jù)，但這時 “意外” 總是接踵而至。

在需要與溫度相關的數(shù)據(jù)時，我們常會使用數(shù)據(jù)手冊中的 “典型” 數(shù)據(jù)。但在這個過程中，我們實際上將兩個變量視為了常量。如果能理解這一點，那就好辦了。因為工程師認識到了他們可能需要根據(jù)實際工作條件來調整相關的數(shù)據(jù)。真正的問題在于，如何進行假設，將某個器件的數(shù)據(jù)外推到另一個具有類似典型數(shù)據(jù)的器件上。

功率晶體管有幾個重要參數(shù)，或者說品質因數(shù) (FoM)，比如漏極-源極電阻 (Rds) 和開關損耗 (Eoss)。這些數(shù)據(jù)通常會在數(shù)據(jù)手冊中提供，但其隨溫度的變化情況卻少有記錄。晶粒面積也會對這些數(shù)據(jù)產生影響，于是出現(xiàn)了 RdsA FoM，或者與面積相關的 Rds。

當然，這些都是 “典型” 數(shù)據(jù)，而且通常都是工作溫度為 25℃ 時的數(shù)據(jù)。此外，這些數(shù)據(jù)通常也來源于 “典型” 條件下的 Rds(on)，而未考慮 Rds(on) 也會隨溫度變化而變化，更重要的是，這些數(shù)據(jù)同樣未考慮到不同的架構而導致的變化。

這些不同在諸如 UnitedSiC 的 UF3C065040K3S 650V SiC 共源共柵器件中更為明顯，該器件在 25℃ 條件下記錄的 Rds(on) 最大值為 52mΩ，而典型值僅為 42mΩ。與 Rds(on) 最大值為 45mΩ、典型值為 40mΩ 的 650V 超結 MOSFET 相比，超結器件在該特定 FoM 方面的性能似乎更出色。但在超溫條件下，情況就大不一樣了，如圖 1所示。當溫度接近 150℃ 時，超結器件的 Rds(on) 達到 96mΩ，而 SiC 共源共柵器件只有 78mΩ。事實上，即使在 175℃ 條件下，SiC 器件的 Rds(on) 仍只有 78mΩ，遠低于超結器件的 Rds(on)。

圖 1：SiC 共源共柵器件與超結 MOSFET 器件的 Rds(on)

從圖 1可以非常清楚地看到，SiC 共源共柵器件的 Rds(on) 增長率遠低于超結 MOSFET 的 Rds(on) 增長率，這一點至關重要，因為這個 FoM 影響著所有其他 FoM，所以如果應用的工作溫度高于 25℃，密切觀察 Rds(on) 隨溫度變化的情況是重中之重。

溫度與導電損耗的相關性在于，溫度越高，SiC 共源共柵 FET 所耗散的功率就越低。在 150℃ 條件下，SiC 共源共柵 FET 的功耗比超結器件低 30%。由于功率耗散也會導致溫度升高，所以功耗損耗越低也意味著整體溫度越低，Rds(on) 值也因此更低。此外，Rds(on) 較低意味著相關應用可以搭載更高的電流，在使用相關器件的應用中，這一特性意義非凡。該 FoM 的另一個積極影響在于，可讓晶粒面積保持最小，從而有助于降低開關損耗和體二極管損耗。

SiC 共源共柵 FET 的 Rds(on) 隨溫度變化的增長率較低，這是該技術的固有特征，且與相關材料中摻雜含量較高的 SiC 緊密相關。在所有半導體材料中，電子遷移率隨溫度的升高而提高，而 SiC 能夠減緩電子遷移率的下降速度。加上 SiC 在柵極電荷及其他 FoM 方面的優(yōu)勢，工程師便自然能夠明白使用 SiC 共源共柵 FET 如何能幫助實現(xiàn)重大設計改進，又如何能降低系統(tǒng)級成本。

數(shù)據(jù)手冊有助于我們深入了解器件在一系列條件下的工作原理，但我們需要清楚溫度對數(shù)據(jù)的影響，而不是對不同類型的器件進行籠統(tǒng)假設，這一點至關重要。