碳化硅MOSFET優(yōu)勢(shì)分析 具體有哪些優(yōu)勢(shì)詳解

碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)勢(shì)？

（一）開(kāi)關(guān)損耗

碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)勢(shì)，下圖1是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3) 與CoolSiC^TM MOSFET (IMW120R045M1) 在同一平臺(tái)下進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗的對(duì)比測(cè)試結(jié)果。母線電壓800V, 驅(qū)動(dòng)電阻RG=2.2Ω，驅(qū)動(dòng)電壓為15V/-5V。使用1200V/20A G5 肖特基二極管 IDH20G120C5作為續(xù)流二極管。在開(kāi)通階段，40A 的電流情況下，CoolSiC^TM MOSFET 開(kāi)通損耗比IGBT 低約50%，且?guī)缀醪浑S結(jié)溫變化。這一優(yōu)勢(shì)在關(guān)斷階段會(huì)更加明顯，在25℃結(jié)溫下，CoolSiC^TM MOSFET 關(guān)斷損耗大約是IGBT 的20%，在175℃的結(jié)溫下，CoolSiC^TM MOSFET 關(guān)斷損耗僅有IGBT 的10%（關(guān)斷40A電流）。且開(kāi)關(guān)損耗溫度系數(shù)很小。

圖1 IGBT與CoolSiC^TM開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比

（二）導(dǎo)通損耗

碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)勢(shì)，圖2是1200V HighSpeed3 IGBT (IGW40N120H3) 與CoolSiC^TM MOSFET (IMW120R045M1) 的輸出特性對(duì)比。常溫下，兩個(gè)器件在40A 電流下的導(dǎo)通壓降相同。當(dāng)小于40A 時(shí)，CoolSiC^TM MOSFET 顯示出近乎電阻性的特性，而IGBT 則在輸出特性上有一個(gè)拐點(diǎn)，一般在1V~2V, 拐點(diǎn)之后電流隨電壓線性增長(zhǎng)。當(dāng)負(fù)載電流為15A 時(shí)，在常溫下，CoolSiC^TM 的正向壓降只有IGBT 的一半，在175℃結(jié)溫下，CoolSiC^TM MOSFET 的正向壓降約是IGBT 的80%。在實(shí)際器件設(shè)計(jì)中，CoolSiC^TM MOSFET比IGBT 具有更低的導(dǎo)通損耗。

圖2 CoolSiC^TM 和IGBT導(dǎo)通損耗對(duì)比

（三）體二極管續(xù)流特性

碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)勢(shì)，CoolSiC^TM MOSFET的本征二極管有著和SiC肖特基二極管類(lèi)似的快恢復(fù)特性。25℃時(shí)，它的Qrr和相同電流等級(jí)的G5 SiC 二極管近乎相等。然而，反向恢復(fù)時(shí)間及反向恢復(fù)電荷都會(huì)隨結(jié)溫的增加而增加。從圖3(a)中我們可以看出，當(dāng)結(jié)溫為175℃時(shí)，CoolSiC? MOSFET 的Qrr略高于G5 肖特基二極管。圖3(b)比較了650V 41mΩ Si MOSFET 本征二極管和CoolSiC^TM MOSFET 本征二極管的性能。在常溫及高溫下，1200V CoolSiC^TM MOSFET 體二極管僅有Si MOSFET 體二極管Qrr的10%。

圖3 CoolSiC^TM MOSFET體二極管動(dòng)態(tài)特性

相比其它MOSFET，CoolSiC^TM 好在哪兒？

我們已經(jīng)了解到，SiC材料雖然在擊穿場(chǎng)強(qiáng)、熱導(dǎo)率、飽和電子速率等方面相比于Si材料有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但是它在形成MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)的時(shí)候，SiC-SiO2界面電荷密度要遠(yuǎn)大于Si-SiO2，這樣造成的后果就是SiC表面電子遷移率要遠(yuǎn)低于體遷移率，從而使溝道電阻遠(yuǎn)大于體電阻，成為器件通態(tài)比電阻大小的主要成分。然而，表面電子遷移率在不同的晶面上有所區(qū)別。目前常見(jiàn)的SiC MOSFET 都是平面柵結(jié)構(gòu)，Si-面上形成導(dǎo)電溝道，缺陷較多，電子遷移率低。英飛凌CoolSiC^TM MOSFET 采用Trench 溝槽柵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電溝道從水平的晶面轉(zhuǎn)移到了豎直的晶面，大大提高了表面電子遷移率，使器件的驅(qū)動(dòng)更加容易，壽命更長(zhǎng)。

SiC MOSFET在阻斷狀態(tài)下承受很高的電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)于Trench 器件來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)會(huì)在溝槽的轉(zhuǎn)角處集中，這里是MOSFET耐壓設(shè)計(jì)的一個(gè)薄弱點(diǎn)。

圖4 CoolSiC^TM MOSFET剖面示意圖

相比于其它SiC MOSFET, CoolSiC^TM MOSFET 有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

a）為了與方便替換現(xiàn)在的Si IGBT，CoolSiC^TM MOSFET 推薦驅(qū)動(dòng)電壓為15V，與現(xiàn)在Si 基IGBT驅(qū)動(dòng)需求兼容。CoolSiC^TM MOSFET典型閾值電壓4.5V, 高于市面常見(jiàn)的2~3V的閾值電壓。比較高的閾值電壓可以避免門(mén)極電壓波動(dòng)引起的誤觸發(fā)。

b）CoolSiC^TM MOSFET 有優(yōu)化的米勒電容Cgd 與柵源電容Cgs 比值，在抑制米勒寄生導(dǎo)通的同時(shí)，兼顧高開(kāi)關(guān)頻率。

c）大面積的深P阱可以用作快恢復(fù)二極管，具有極低的Qrr 與良好的魯棒性。

d）CoolSiC^TM MOSFET提供芯片，單管，模塊多種產(chǎn)品。單管有TO-247 3pin 和 TO-247 4pin，開(kāi)爾文接法可以防止米勒寄生導(dǎo)通，并減少開(kāi)關(guān)損耗。模塊有EASY1B,EASY 2B, 62mm 等等, 可以覆蓋多種功率等級(jí)應(yīng)用。模塊采用低寄生電感設(shè)計(jì)，為并聯(lián)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使PCB 布線更容易。

綜上所述，CoolSiC^TM MOSFET是一場(chǎng)值得信賴(lài)的技術(shù)革命，憑借它的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和精心設(shè)計(jì)，它將帶給用戶一流的系統(tǒng)效率，更高的功率密度，更低的系統(tǒng)成本。

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