SiC MOSFET：一种经济高效且可靠的大功率解决方案

碳化硅 (SiC) 已被证明是高功率和高电压器件的理想材料。但是，设备的可靠性极其重要，我们指的不仅仅是短期可靠性，还包括长期可靠性。性能、成本和可制造性也是其他重要因素，但可靠性和耐用性是 SiC 成功的关键。有 30 多家公司已将 SiC 技术作为其功率器件生产的基础。此外，几家的功率模块和功率逆变器制造商已经为未来基于 SiC 的产品的路线图奠定了基础。SiC MOSFET 即将终取代硅功率开关；该行业需要能够应对不断变化的市场的新驱动和转换解决方案。

性能和可靠性

可以通过在 SiC 功率器件上运行 HTGB（高温栅极偏置）和 HTRB（高温反向偏置）压力测试来评估性能。Littelfuse 在 175°C 的温度下对 1200V、80mΩ SiC MOSFET 进行了压力测试，使用不同的VGS值 并对器件施加长达 1000 小时的压力。结果如图 1所示。

图 1 HTRB 和 HTGB 压力测试结果（未观察到相关变化）：Littelfuse

尽管获得了优异的结果，HTGB+测试（V GS =+25V，T=175°C）的持续时间已延长至5500小时，而HTGB-测试（V GS =-10V，T=175°C）的持续时间) 已延长至 2700 小时。即使在这些情况下，也观察到了偏差，证实了 SiC MOSFET 在这些条件下的性能和可靠性。

栅极氧化物是 SiC MOSFET 的关键元件，因此其可靠性极为重要。栅氧化层可靠性的评估分为两部分。部分基于 TDDB（随时间变化的介质击穿）测试。根据施加在栅极氧化物上的电场（从 6 到 10 MV/cm），器件寿命会发生显着变化。图 2显示了在不同温度下进行的该测试的结果。在第二部分中，对常见的 1200V、18mΩ 硅 MOSFET 进行了加速栅极氧化物寿命测试。两个测试结果之间的密切一致证实 SiC MOSFET 是可靠的器件，在 T=175°C 和VGS =25V下工作时，预计寿命超过 100 年。

图 2 加速栅氧化层寿命测试结果
：Littelfuse

短路鲁棒性

与 SiC 技术相关的另一个重要方面是短路鲁棒性。为了检查其 SiC 功率器件的短路稳健性，Littelfuse 开发了自己的专用测试板。图 3所示的电路包括一个 1200V 80mΩ SiC MOSFET (DUT)、一个仅出于安全原因使用的 IGBT (Q1) 和三个电容器。结果如图 4所示， 根据施加的栅极电压（12V、15V、18V 或 20V），短路耐受时间会发生显着变化。

图3 短路测试电路
：Littelfuse

图 4 不同栅极电压下的短路耐受时间
：Littelfuse

长的时间（约 15?s）是在栅极电压 (12V) 下获得的。此外，峰值电流在很大程度上取决于栅极电压，从 20V 栅极电压时的近 300A 降至 12V 栅极电压时的约 130A。即使 SiC MOSFET 的短路耐受时间短于 IGTB 的短路耐受时间，SiC 器件也可以通过集成在栅极驱动器 IC 中的 de-sat 功能得到保护。

雪崩强度

评估 SiC MOSFET 的另一个重要参数是雪崩强度，它通过非钳位电感开关 (UIS) 测试进行评估。雪崩能量显示了 MOSFET 在驱动感性负载时有时会发生瞬变的能力。Littelfuse 的雪崩耐久性评估方法不是执行典型的 UIS 测试（这是一种破坏性测试），而是基于对 SiC 功率 MOSFET 的全面表征，以更好地了解它们的稳健性。

因此，对 1200V 160mΩ SiC MOSFET 进行了重复的 UIS (R-UIS) 测试，仅提供该器件可处理的能量的 25%（125mJ 而不是 500mJ）。该测试以 20 毫秒的 UIS 周期重复 100,000 次。SiC MOSFET 展示了出色的 R-UIS 能力：在 R-UIS 压力测试 100,000 次循环后，关键电气性能（例如导通电阻、阈值电压、击穿电压和漏极漏电流）没有观察到参数偏移。运行模拟也可以获得相关信息。图 5显示了应用 V DS 执行的仿真结果 1600V 到 MOSFET：栅极氧化层上的电场可达 4 MV/cm，并产生大量热量。通常对栅极氧化物应用适当的屏蔽。

图 5 栅极氧化物屏蔽是实现雪崩耐受性的关键因素
资料：Littelfuse

解决方案

当前的Littelfuse产品组合包括以下 SiC MOSFET：1200V 80/120/160mΩ 和 1700V 750mΩ，均采用 TO247-3L 封装。采用相同封装的其他器件将很快投产，此外，采用 TO247-4L、TO263-7L (D2PAK) 和 TO268-2L (D3PAK) 封装的类似器件也将投入生产。

TO247-3L 是常见的封装，广泛用于特定和通用应用。TO-247-4L 是一种四引脚封装，其栅极驱动源端子采用开尔文连接。因此可以降低内部源极布线的电感，从而使 MOSFET 实现高开关频率。TO263-7L 是七针封装，采用开尔文连接，适用于表面贴装。TO268-2L为双引脚封装，中间无引脚，保证爬电距离。

SiC MOSFET 即将终取代硅功率开关，需要能够应对不断发展的市场的新驱动和转换解决方案。由于其出色的热特性，SiC 器件代表了各种应用的解决方案，例如汽车领域的功率驱动电路。考虑到后者必须具有快速 dV/dt 才能实现快速开关时间，SiC MOSFET 晶体管必须在更高的栅极电压下运行。为满足下一代 MOSFET 的严格要求，RECOM 推出了各种转换器，专为为 SiC MOSFET 驱动器供电而设计。

RECOM系列 RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 专为满足 SiC MOSFET 日益增长的市场需求而设计。这两个系列具有非对称输出，用于控制输入电压范围为 5V 至 24V 的 SiC 驱动器。绝缘确实是在整个设计过程中仔细考虑的一个重要因素：两个新系列都提供的安全性，隔离电压约为 4 kVDC。寄生电容被强烈衰减，从而消除了振荡问题并允许在功率共享模式（不对称电流、不对称功率）下运行。除了符合 RoHS 指令外，新设备还获得了 UL-60950-1 （图 6）。

图 6带有 RxxP22005D 的典型应用电路 [：RECOM]

由于硅材料的固有和物理特性，对高效率和高功率密度设备的需求不断增长，这对硅基半导体来说是一个挑战。这些限制可以通过使用宽带隙材料（例如 SiC）来克服。例如，光伏应用需要高效电子元件，而基于 SiC 的器件可以完美地满足这些要求。DC-DC转换器制造商的机会并不缺乏。公司不断通过新的包装项目突破极限，提高集成度。