【導(dǎo)讀】在各種電源應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)電機驅(qū)動器、AC/DC 和 DC/DC 逆變器/轉(zhuǎn)換器、電池充電器、儲能系統(tǒng)等，人們不遺余力地追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能。性能要求越來越嚴苛，已經(jīng)超出了硅 (Si) 基 MOSFET 的能力，因而基于碳化硅 (SiC) 的新型晶體管架構(gòu)應(yīng)運而生。

本文主要探討了第三代SiC MOSFET在電源設(shè)計中的應(yīng)用。文章對比了Si與SiC的材料特性，回顧了SiC MOSFET的發(fā)展歷程，并重點介紹了Toshiba Semiconductor and Storage Corp.的第三代SiC MOSFET系列，包括其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升的實例，說明這些器件如何幫助設(shè)計人員在電源系統(tǒng)設(shè)計方面取得重大進展。

在各種電源應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)電機驅(qū)動器、AC/DC 和 DC/DC 逆變器/轉(zhuǎn)換器、電池充電器、儲能系統(tǒng)等，人們不遺余力地追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能。性能要求越來越嚴苛，已經(jīng)超出了硅 (Si) 基 MOSFET 的能力，因而基于碳化硅 (SiC) 的新型晶體管架構(gòu)應(yīng)運而生。

雖然新式器件在所有關(guān)鍵性能指標方面都有明顯的優(yōu)勢，但由于各種局限性和應(yīng)用的不確定性，設(shè)計人員對第一代 SiC 器件持謹慎態(tài)度是明智的。第二代器件規(guī)格方面經(jīng)過優(yōu)化，也更多地考慮到了器件的細節(jié)。一方面 SiC MOSFET 性能不斷提升，另一方面上市時間的壓力加劇，設(shè)計人員開始使用這些新式器件來達成產(chǎn)品目標。最近出現(xiàn)的第三代器件表明，基于 SiC 的電源裝置已經(jīng)成熟。這些器件在所有關(guān)鍵參數(shù)方面都做了改進，同時借鑒了前幾代器件的設(shè)計導(dǎo)入經(jīng)驗和相關(guān)專業(yè)知識。

由于各種深層物理學(xué)原因，SiC 有三大電氣特性與純硅明顯不同，每個特性均賦予其工作優(yōu)勢。此外，SiC 還有其他一些更微妙的差異（圖 1）。

• 更高的臨界擊穿電場電壓（約 2.8 MV/cm，Si 為 0.3 MV/cm），因而在給定電壓額定值下工作時，可以使用更薄的層，大大降低漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on))。

• 更高的導(dǎo)熱率，因而在橫截面上可以實現(xiàn)更高的電流密度。

• 更寬的帶隙（半導(dǎo)體和絕緣體中價帶頂部與導(dǎo)帶底部之間的能量差，單位為 eV），使得高溫下的漏電流更低。出于這個原因，SiC 二極管和場效應(yīng)晶體管 (FET) 常被稱為寬帶隙(WBG) 器件。

憑借良好的性能屬性和長足的進步，SiC 器件現(xiàn)在已在功率與速度的應(yīng)用矩陣中占據(jù)了突出的位置，加入了 IGBT、硅基 MOSFET 和 GaN 器件的行列（圖 2）。

圖 2：SiC MOSFET 的性能屬性使其適用于非常廣泛的應(yīng)用，涵蓋各種功率和頻率額定值。（圖片來源：Toshiba）

從基礎(chǔ) SiC 材料科學(xué)和器件物理學(xué)到商用 SiC MOSFET，這條路很漫長且艱難（圖 3）。經(jīng)過大量研究和生產(chǎn)努力，第一款基于 SiC 的器件（肖特基二極管）于 2001 年推出。在那之后的 20 年里，業(yè)界陸續(xù)開發(fā)并發(fā)布了第一代、第二代和第三代量產(chǎn) SiC MOSFET。每一代產(chǎn)品都在特定參數(shù)方面做了針對性的改進，同時也有一些不同的權(quán)衡。

Toshiba的第二代產(chǎn)品修改了 SiC 器件的基本結(jié)構(gòu)，將肖特基勢壘二極管 (SBD) 嵌入 MOSFET 中，在很大程度上解決了這個問題（圖 4）。這使可靠性提高了一個數(shù)量級以上。在新結(jié)構(gòu)中，SBD 與單元內(nèi)部的 PN 二極管平行放置，從而防止 PN 二極管通電。電流流經(jīng)嵌入式 SBD，因為其導(dǎo)通狀態(tài)電壓低于 PN 二極管，從而抑制了導(dǎo)通電阻的一些變化和 MOSFET 可靠性的降低。

具有嵌入式 SBD 的 MOSFET 已被投入實際使用，但僅用于高壓產(chǎn)品，例如 3.3 kV 電源裝置，因為嵌入式 SBD 會導(dǎo)致導(dǎo)通電阻最終上升到只有高壓產(chǎn)品才能承受的水平。Toshiba 調(diào)整了各種器件參數(shù)，發(fā)現(xiàn) MOSFET 中 SBD 面積比是抑制導(dǎo)通電阻增加的關(guān)鍵。通過優(yōu)化 SBD 面積比，Toshiba 設(shè)計了一種 1.2 kV 級 SiC MOSFET，其可靠性得到了明顯改善。

然而，同許多增強產(chǎn)品一樣，有利也有弊。雖然新的器件結(jié)構(gòu)大大提高了可靠性，但它也對兩個 FoM 產(chǎn)生了不利影響。標稱 RDS(on) 和 RDS(on) × Qg 得以增加，導(dǎo)致 MOSFET 的性能下降。為了彌補和降低導(dǎo)通電阻，第二代 SiC MOSFET 增加了芯片面積，但這也增加了成本。

第三代器件真正成熟

認識到這一問題之后，Toshiba 開發(fā)了第三代 SiC MOSFET 器件，稱為 TWXXXN65C/TWXXXN120C 系列。該系列器件優(yōu)化了電流擴展層的結(jié)構(gòu)以減小單元尺寸，同時提供更高的額定電壓、更快的開關(guān)速度和更低的導(dǎo)通電阻。

通過降低擴展電阻 (Rspread)，部分降低了導(dǎo)通電阻。通過向 SiC MOSFET 的寬 P 型擴散區(qū)（P 阱）的底部注入氮氣，SBD電流得以增加。Toshiba 還減小了 JFET 區(qū)域并注入氮氣，以降低反饋電容和 JFET 電阻。由此，在不增加導(dǎo)通電阻的情況下，反饋電容得以降低。另外，通過對 SBD的位置進行優(yōu)化，器件實現(xiàn)了導(dǎo)通電阻無波動的穩(wěn)定運行。

目前，該系列包括 650 V 和 1200 V SiC MOSFET，設(shè)計用于大功率工業(yè)應(yīng)用，如 400 V 和 800 V AC/DC 電源、光伏 (PV) 逆變器和用于不間斷電源 (UPS) 的雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。650 V 和1200 V SiC MOSFET 均采用行業(yè)標準的三引線 TO-247 封裝（圖 5）。

與 Toshiba 的第二代器件相比，這些第三代 SiC MOSFET 的 RDS(on) × Qg FoM 降低了 80%（降幅非常顯著），同時開關(guān)損耗降低了約 20%。內(nèi)置的肖特基勢壘二極管技術(shù)還提供了超低正向電壓 (VF)。

此外，還有其他與 MOSFET 相關(guān)的設(shè)計導(dǎo)入巧妙之處。以 VGSS 為例，VGSS 是在漏極和源極短路時可施加于柵極和源極之間的最大電壓。對于第三代 SiC 器件，VGSS 的范圍是 10 至 25 V，推薦值為 18 V。VGSS 額定值的范圍廣泛有助于簡化設(shè)計，同時提高設(shè)計的可靠性。

此外，低電阻和更高柵極閾值電壓（VGS(th)，即 MOSFET 通道開始導(dǎo)電的電壓）有助于防止故障，如因尖峰、毛刺和過沖而導(dǎo)致的意外導(dǎo)通。該電壓的范圍為 3.0 至 5.0 V，有助于確?？深A(yù)測的開關(guān)性能且漂移極小，同時支持簡化柵極驅(qū)動器設(shè)計。

深入了解 650 V 和 1200 V 第三代SiC MOSFET

該系列的兩端分別是 650 V 和 1200 V 器件，由此可以看出其能力之全面。所有器件的物理封裝、引腳布局和原理圖符號都相同（圖 6），但具體細節(jié)不同。

其中一款 650 V 器件是 TW015N65C，這是一款 N 溝道器件，額定電流為 100 A，額定功率為 342 W。其典型規(guī)格值如下：輸入電容 (CISS) 為 4850 pF，柵極輸入電荷 (Qg) 低至 128 nC，標稱 RDS(on) 只有 15 mΩ。

除了顯示靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)的最小值、典型值和最大值的表格外，規(guī)格書中還有顯示關(guān)鍵參數(shù)的性能與溫度、漏極電流、柵源電壓 (VGS) 等因數(shù)關(guān)系的曲線圖。例如，RDS(on) 值與溫度、漏極電流 (ID)、柵源電壓 VGS 的關(guān)系如圖 7 所示。

圖 8 顯示了 1200 V 器件（例如20 A、107 W N 溝道器件 TW140N120C）的同一組規(guī)格和曲線圖。此SiC MOSFET 具有如下特性：CISS 低至 6000 pF，柵極輸入電荷 (Qg) 為 158 nC，RDS(on) 為 140 mΩ。

• 15 mΩ，100 A，342 W (TWO15N65C)

• 27 mΩ，58 A，156 W

• 48 mΩ，40 A，132 W

• 83 mΩ，30 A，111 W

• 107 mΩ，20 A，70 W

• 15 mΩ，100 A，431 W

• 30 mΩ，60 A，249 W

• 45 mΩ，40 A，182 W

• 60 mΩ，36 A，170 W

• 140 mΩ，20 A，107 W (TW140N120C)

相比于純硅器件，碳化硅 MOSFET 在關(guān)鍵的開關(guān)參數(shù)方面有很大改進。與前幾代器件相比，第三代 SiC 器件優(yōu)化了規(guī)格和 FoM，提高了可靠性，更好地滿足了柵極驅(qū)動器的要求，并且對不可避免的設(shè)計導(dǎo)入上的微妙問題提供了更深入的見解。這些 SiC MOSFET 讓電源系統(tǒng)設(shè)計人員擁有了額外的核心資源，使他們可以實現(xiàn)更高的能效、更小的尺寸和更好的整體性能。

（作者：Bill Schweber，來源：DigiKey得捷）

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