一文了解SiC碳化硅MOSFET的應(yīng)用及性能優(yōu)勢

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碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。

碳化硅MOSFET具有高頻高效，高耐壓，高可靠性。可以實現(xiàn)節(jié)能降耗，小體積，低重量，高功率密度等特性，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。

一. 碳化硅MOSFET常見封裝TO247

碳化硅MOSFET是一種基于碳化硅半導(dǎo)體材料的場效應(yīng)晶體管。它的工作原理類似于傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。主要由以下三個部分組成：

柵極（Gate）：柵極是用于控制MOSFET導(dǎo)通的部分。當(dāng)施加正電壓時，柵極與通道之間形成電場，控制通道的導(dǎo)電性。

源極（Source）和漏極（Drain）：源極和漏極分別是MOSFET的輸入和輸出端。通過控制柵極電壓，調(diào)節(jié)源極和漏極之間的電流流動。

通道（Channel）：通道是源極和漏極之間的導(dǎo)電路徑。在碳化硅MOSFET中，通道由碳化硅材料構(gòu)成，具有較高的載流子遷移率和耐壓能力。

碳化硅MOSFET的工作原理可以簡述如下：當(dāng)柵極施加正電壓時，形成電場，使得通道中的載流子（電子或空穴）移動，導(dǎo)致源極和漏極之間形成導(dǎo)電路徑。通過調(diào)節(jié)柵極電壓，可以控制通道中的載流子濃度，從而控制MOSFET的導(dǎo)通程度。

二. 碳化硅MOSFET分平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)

三.相對應(yīng)于硅基MOSFET以及IGBT，碳化硅MOSFTE有以下優(yōu)點：

01

╱ 高工作頻率 ╱

傳統(tǒng)MOSFET工作頻率在60KHZ左右，而碳化硅MOSFET在1MHZ，甚至更高

用途：高頻工作，可以減小電源系統(tǒng)中電容以及電感或變壓器的體積，降低電源成本，讓電源實現(xiàn)小型化，美觀化。從而實現(xiàn)電源的升級換代。

02

╱ 低導(dǎo)通阻抗 ╱

碳化硅MOSFET單管最小內(nèi)阻可以達(dá)到幾個毫歐，這對于傳統(tǒng)的MOSFET看來是不可想象的。市場量產(chǎn)碳化硅MOSFET最低內(nèi)阻在16毫歐。

用途：輕松達(dá)到能效要求，減少散熱片使用，降低電源體積和重量，電源溫度更低，可靠性更高。

03

╱ 耐壓高 ╱

碳化硅MOSFET目前量產(chǎn)的耐壓可達(dá)3300V，最高耐壓6500V,一般硅基MOSFET和IGBT常見耐壓耐壓900V-1200V。

04

╱ 耐高溫 ╱

碳化硅MOSFET芯片結(jié)溫可達(dá)300度，可靠性，穩(wěn)定性大大高于硅基MOSFET，

綜上所述：使用碳化硅MOSFET可以讓電源實現(xiàn)高效率，小體積，在一些高溫，高壓環(huán)境，在一定優(yōu)勢。

四.碳化硅MOSFET的綜合特性

01

SiC器件的結(jié)構(gòu)和特征

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低阻抗。而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用SiC MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實現(xiàn)散熱部件的小型化。另外，SiC MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅(qū)動，從而也可以實現(xiàn)被動器件的小型化。與600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積?。梢詫崿F(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。

2

SiC Mosfet的導(dǎo)通電阻

SiC 的絕緣擊穿場強是Si 的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現(xiàn)高耐壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，SiC 可以得到標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻（單位面積導(dǎo)通電阻）更低的器件。例如900V時，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以實現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。目前SiC 器件能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)（導(dǎo)通電阻變低，則開關(guān)速度變慢) ，就可以實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開關(guān)等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?/p>

3

3Vd-Id特性

SiC‐MOSFET 與IGBT 不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。而Si MOSFET 在150℃時導(dǎo)通電阻上升為室溫條件下的2 倍以上，與Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設(shè)計，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

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驅(qū)動門極電壓和導(dǎo)通電阻

SiC‐MOSFET 的漂移層阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，SiC MOSFET的MOS 溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導(dǎo)通電阻（Vgs=20V 以上則逐漸飽和）。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驅(qū)動電壓Vgs=10～15V 的話，不能發(fā)揮出SiC 本來的低導(dǎo)通電阻的性能，所以為了得到充分的低導(dǎo)通電阻，推薦使用Vgs=18V左右進行驅(qū)動。負(fù)壓建議-3左右?，F(xiàn)推出低導(dǎo)通內(nèi)阻的碳化硅MOSFET，Vgs=15V進行驅(qū)動，后續(xù)推出Vgs=12V進行驅(qū)動碳化硅MOSFET,讓驅(qū)動電壓和硅基器件一至。

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Vg-Id特性

SiC MOSFET 的閾值電壓在數(shù)mA 的情況下定義的話，與Si‐MOSFET 相當(dāng)，室溫下大約3V（常閉）。但是，如果流通幾個安培電流的話，需要的門極電壓在室溫下約為8V 以上，所以可以認(rèn)為針對誤觸發(fā)的耐性與IGBT 相當(dāng)。溫度越高，閾值電壓越低。

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Turn-On特性

SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度與Si IGBT 和Si MOSFET 相當(dāng)，大約幾十ns。但是在感性負(fù)載開關(guān)的情況下，由通往上臂二極管的回流產(chǎn)生的恢復(fù)電流也流過下臂，由于各二極管性能的偏差，從而產(chǎn)生很大的損耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的體二極管的通常恢復(fù)電流非常大，會產(chǎn)生很大的損耗，而且在高溫下該損耗有進一步增大的趨勢。與此相反，SiC二極管不受溫度影響，可以快速恢復(fù)，SiC MOSFET 的體二極管雖然Vf 較高但是與碳化硅二極管相同，具有相當(dāng)?shù)目焖倩謴?fù)性能。通過這些快速恢復(fù)性能，可以減少Turn‐on 損耗（Eon）好幾成。開關(guān)速度極大程度上決定于外部的門極電阻Rg。為了實現(xiàn)快速動作，推薦使用幾Ω左右的低阻值門極電阻。另外還需要考慮到浪涌電壓，選擇合適的門極電阻。

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Turn-Off特性

SiC MOSFET 的最大特點是原理上不會產(chǎn)生如IGBT中經(jīng)常見到的尾電流。SiC 即使在1200V 以上的耐壓值時也可以采用快速的MOSFET 結(jié)構(gòu)，所以，與IGBT 相比，Turn‐off 損耗（Eoff）可以減少約90%，有利于電路的節(jié)能和散熱設(shè)備的簡化、小型化。而且，IGBT 的尾電流會隨著溫度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 幾乎不受溫度的影響。另外，由于較大的開關(guān)損耗引起的發(fā)熱會致使結(jié)點溫度（Tj）超過額定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高頻區(qū)域內(nèi)使用，但SiC MOSFET 由于Eoff 很小，所以可以進行50KHz 以上的高頻開關(guān)動作。通過高頻化，可以使濾波器等被動器件小型化。

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內(nèi)部門極電阻

芯片內(nèi)部門極電阻與門極電極材料的薄層阻抗和芯片尺寸相關(guān)。如果是相同的設(shè)計，芯片內(nèi)部門極電阻與芯片尺寸呈反比例，芯片尺寸越小，門極電阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器件小，雖然結(jié)電容更小，但是同時門極電阻也就更大。

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門極驅(qū)動電路

SiC MOSFET 是一種易于驅(qū)動、驅(qū)動功率較少的常閉型、電壓驅(qū)動型的開關(guān)器件。基本的驅(qū)動方法和IGBT 以及Si MOSFET一樣。推薦的驅(qū)動門極電壓，ON 側(cè)時為+18V 左右，OFF 側(cè)時為0V。在要求高抗干擾性和快速開關(guān)的情況下，也可以施加‐3～‐5V 左右的負(fù)電壓。當(dāng)驅(qū)動大電流器件和功率模塊時，推薦采用緩沖電路。

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體二極管的 Vf 和逆向?qū)?/strong>