功率转换器中CoolSiC MOSFET技术解析

功率转换器中越来越多地使用碳化硅（SiC）晶体管，这对尺寸，重量和/或效率提出了很高的要求。与双极IGBT器件相反，SiC出色的材料性能使它可以设计快速开关的单极器件。因此，现在仅在低压环境（<600 V）下才可能使用的解决方案现在也可以在更高的电压下使用。结果是最高的效率，更高的开关频率，更少的散热和节省空间–这些优点反过来又可以导致总体成本降低。

同时，MOSFET已成为公认的选择概念。最初，JFET结构似乎是合并SiC晶体管的性能和可靠性的最终选择。然而，利用现在建立的150mm晶圆技术，基于沟槽的SiC MOSFET也变得可行，因此，现在可以解决具有性能或高可靠性的DMOS难题。

SiC简介

基于宽带隙的功率器件，例如SiC二极管和晶体管，或GaNHEMT（高电子迁移率晶体管），已成为当今电力电子设计人员中的重要元素。但是，与硅相比，SiC的魅力何在？有什么特点使SiC组件如此诱人，以至于尽管与硅高压器件相比成本较高，但它们仍被频繁使用？

在功率转换系统中，人们一直在努力减少功率转换期间的能量损失。现代系统基于与无源元件结合使用来打开和关闭固态晶体管的技术。对于与所使用的晶体管有关的损耗，有几个方面是相关的。一方面，必须考虑传导阶段的损耗。在MOSFET中，它们是由经典电阻定义的。在IGBT中，存在一个固定的传导损耗确定器，其形式为拐点电压（Vce_sat）加上输出特性的差分电阻。通常可以忽略阻塞阶段的损失。

但是，在切换过程中，导通状态和断开状态之间始终存在过渡阶段。相关的损耗主要由器件的电容来确定。对于IGBT，由于少数载流子动态特性（导通峰值，尾电流），进一步的贡献到位了。基于这些考虑，人们会期望选择的器件始终是MOSFET，但是，特别是对于高电压，硅MOSFET的电阻变得如此之高，以致总损耗平衡不如可以使用电荷调制的IGBT。通过少数载流子来降低导通模式下的电阻。图1以图形方式总结了这种情况。

图1：MOSFET（HV表示与IGBT – 1200 V及更高的阻断电压类似）之间的开关过程（左，假设dv / dt相同）和静态IV行为（右）的比较

当考虑宽带隙半导体时，情况会发生变化。图2总结了SiC和GaN与硅相比最重要的物理性能。重要的是，带隙与半导体的临界电场之间存在直接的相关性。就SiC而言，它比硅高约10倍。

图2：功率半导体材料重要物理性能的比较

借助此功能，高压设备的设计有所不同。图3以5 kV半导体器件为例显示了影响。在硅的情况下，由于中等的内部击穿电场，人们不得不使用相对较厚的有源区。另外，在有源区中只能掺入少量掺杂剂，从而导致高串联电阻（如图1所示）。

图3：5 kV功率器件的尺寸－硅和SiC之间的差异

由于其在SiC中的击穿场高10倍，因此可以使有源区更薄，同时可以并入更多自由载流子，因此导电率大大提高。可以说，在SiC的情况下，快速开关单极器件（例如MOSFET或肖特基二极管）与较慢的双极结构（例如IGBT和pn二极管）之间的转换现在已经转移到了更高的阻断电压（见图4）。或者，现在，对于1200 V器件，SiC也可以在50 V左右的低压区域使用硅。

英飞凌在25年前就发现了这种潜力，并成立了一个专家团队来开发这项技术。沿途发展的里程碑是2001年在全球范围内首次推出基于SiC的肖特基二极管，在2006年首次推出了包含SiC的功率模块，而在最近的2017年，菲拉赫创新工厂全面转换了150 mm晶圆技术，这是与之相关的。全球最具创新性的Trench CoolSiC™MOSFET的首次亮相。

图4：高电压的器件概念，硅和SiC之间的比较

现代功率器件领域的SiC MOSFET

如前一段所述，如今，SiC MOSFET大部分用于以IGBT为主导组件的区域。图5总结了SiC MOSFET与IGBT相比的主要优势。尤其是在部分负载下，由于线性输出特性，与拐点电压下的IGBT情况相反，导通损耗可能大大降低。此外，从理论上讲，可以通过使用较大的器件面积将传导损耗减小到无穷小数量。对于IGBT，这是排除在外的。

关于开关损耗，在导通模式下缺少少数载流子可消除尾电流，因此可能产生非常小的关断损耗。与IGBT相比，导通损耗也降低了，这主要是由于导通电流峰值较小。两种损耗类型均未显示温度升高。但是，与IGBT相比，导通损耗占优势，而关断损耗却很小，这通常与IGBT相反。最后，由于垂直MOSFET结构本身包含一个强大的体二极管，因此不需要额外的续流二极管。该体二极管基于pn二极管，在SiC的情况下，其拐点电压约为3V。

有人可能会说，在这种情况下，二极管模式下的导通损耗非常高，但是建议（对于低压硅MOSFET来说，这是最新技术）在二极管模式下工作，以便使二极管的死区时间短，在200 ns和500 ns之间进行硬切换，对于
英飞凌最近还推出了650 V CoolSiC™MOSFET衍生产品，将在完整的650 V产品组合中进行部署。该技术不仅可以补充这种阻断电压等级的IGBT，而且还可以补充成功的CoolMOS™技术。两种器件都具有快速切换和共同的线性IV特性。但是，SiC MOSFET可以在硬开关和高于10 kHz的开关频率下使体二极管工作。与超结器件相比，它们在输出电容中的电荷要低得多（Qoss）以及更平滑的电容vs.漏极电压特性。这些功能使SiC MOSFET可以在半桥和CCM图腾柱等高效桥拓扑中使用，而CoolMOS™器件在不存在或无法防止在导体二极管上进行硬换向的应用中具有优势。

这就为SiC和超结MOSFET在600 V至900 V的电压等级之间成功共存奠定了基础。应用要求将为设计人员提供最合适的技术选择。

图5：SiC MOSFET与IGBT相比的优势概述：左动态损耗，右传导行为，左上集成二极管

结论

英飞凌的设备设计一向以有益的性价比评估为导向，特别强调出色的可靠性，这是客户习惯于从英飞凌获得的。英飞凌的SiC沟道MOSFET的概念遵循相同的理念。它结合了低导通电阻和优化的设计，可防止过多的栅极氧化物场应力，并提供与IGBT相似的栅极氧化物可靠性。

英飞凌科技公司的Peter Friedrichs博士