【導(dǎo)讀】在功率電子器件領(lǐng)域，工程師們夢想有一種完美的半導(dǎo)體開關(guān)，它沒有導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗，電壓無窮大，沒有漏電且易于驅(qū)動。不幸的是，物理學(xué)告訴我們，它僅僅存在于夢想中，但是采用最新SiC FET寬帶隙半導(dǎo)體的開關(guān)已經(jīng)非常接近這一理想開關(guān)，這種半導(dǎo)體開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域，提升了舊開關(guān)的效率，還有助于節(jié)省能量和成本。

摘要

高頻開關(guān)等寬帶隙半導(dǎo)體是實現(xiàn)更高功率轉(zhuǎn)換效率的助力。SiC FET就是一個例子，它由一個SiC JFET和一個硅MOSFET以共源共柵方式構(gòu)成。

正文

在功率電子器件領(lǐng)域，工程師們夢想有一種完美的半導(dǎo)體開關(guān)，它沒有導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗，電壓無窮大，沒有漏電且易于驅(qū)動。不幸的是，物理學(xué)告訴我們，它僅僅存在于夢想中，但是采用最新SiC FET寬帶隙半導(dǎo)體的開關(guān)已經(jīng)非常接近這一理想開關(guān)，這種半導(dǎo)體開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域，提升了舊開關(guān)的效率，還有助于節(jié)省能量和成本。

發(fā)展歷程

雖然場效應(yīng)晶體管（FET）是在20世紀(jì)30年代首次提出并注冊專利的，但是制造技術(shù)沒能跟上，因此，首個開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器采用的是鍺雙極性晶體管（BJT），它的實用性很差，漏電量很高且額定值非常有限。硅BJT是一個進(jìn)步，它成為了市場主流，且直至今日，一些功率非常低/低成本的轉(zhuǎn)換器仍會偶爾使用它。然而，由于開關(guān)損耗，BJT的效率低，除非將頻率控制得非常低，而這意味著采用大體積磁性元件，違背了微型化趨勢。

在70年代晚期和80年代早期，MOSFET問世了，其額定值適合低功率轉(zhuǎn)換器，但是MOSFET技術(shù)和BJT技術(shù)結(jié)合構(gòu)成的IGBT帶來了突破，它易于驅(qū)動，具有高額定電壓，而且甚至在大電流下也具有低導(dǎo)電損耗。該器件變成了大功率應(yīng)用下的首選解決方案，而且在今天的逆變器和電動機(jī)領(lǐng)域仍具有非常大的市場。不過，它們距離完美開關(guān)仍有很大距離，這主要是由開關(guān)損耗造成的，尤其是“尾”電流造成的開關(guān)損耗，它將工作頻率限制為最高數(shù)十 kHz，從而導(dǎo)致相關(guān)磁性元件體積大、重量大、損耗高且價格昂貴。

與此同時，硅MOSFET有改進(jìn)過的最新“超結(jié)”類型，導(dǎo)通電阻足夠低，能與IGBT相媲美，邁入kW級電平范圍，且具有工作頻率可以非常高的優(yōu)勢以及所有相關(guān)優(yōu)點。不過，在較高功率下，由于“平方”效果，較大的電流仍將在導(dǎo)通電阻內(nèi)產(chǎn)生不可接受的I2R損耗，而且因為即使在低功率下也需要比以往更高的效率，所以設(shè)計師們現(xiàn)在把改進(jìn)期望寄托在硅的替代產(chǎn)品上。寬帶隙（WBG）材料碳化硅（SiC）和氮化鎵正好合適，它們的單位晶粒面積導(dǎo)通電阻較低，電飽和速度更好。它們還具有其他優(yōu)點，如每毫米的臨界擊穿電壓較高、能實現(xiàn)較小的芯片體積并進(jìn)而實現(xiàn)較低的電容以及可能較高的開關(guān)速度。SiC的導(dǎo)熱系數(shù)比硅或GaN好得多，它不僅額定結(jié)溫較高，還能讓給定晶粒和封裝具有更好的功率耗散能力（圖1）。

圖1：Si、SiC和GaN的材料特性

寬帶隙器件的挑戰(zhàn)

不過，作為寬帶隙產(chǎn)品中的佼佼者，SiC MOSFET仍然面臨著挑戰(zhàn)，因為它固有的晶格缺陷數(shù)量要超過硅，所以會造成較低的電子遷移率和較高的導(dǎo)通電阻。柵極閾值電壓也表現(xiàn)出了明顯的不穩(wěn)定性和遲滯現(xiàn)象，而且在短路和過壓等應(yīng)力事件后柵氧化層會降級。它還會出現(xiàn)意外問題，并伴隨“基面錯位”或大塊晶格缺陷，這種錯位或缺陷可能在特定條件下擴(kuò)大或遷移，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)通電阻和漏電電流上升。制程改進(jìn)顯著改善了這一情況，不過，制造商仍需要在制程中進(jìn)行大量缺陷篩查，才能將場故障率維持在低水平，但是每個晶粒仍會受到一定影響。SiC MOSFET還需滿足特定的柵極驅(qū)動要求才能實現(xiàn)最低的導(dǎo)通電阻，柵極電壓也必須接近最大絕對值才能具有防止瞬態(tài)過電壓的重要能力。

替換方案SiC FET

雖然許多制造商堅持采用SiC MOSFET，但是采用SiC JFET也是一個可以考慮的方法，它沒有許多MOSFET會有的問題。不過，JFET是常開型器件，在實際電路中并不受歡迎，因而“共源共柵”概念廣為人們所接受，它將高壓SiC JFET和一起封裝的低壓硅MOSFET相結(jié)合，構(gòu)成了所謂的“SiC FET”（圖2）。該器件為常關(guān)狀態(tài)，具有寬帶隙器件的全部優(yōu)勢，又容易用非臨界柵極驅(qū)動來驅(qū)動Si-MOSFET，后者為低壓型器件，具有非?？煽康臇叛趸瘜雍偷蛯?dǎo)通電阻。

圖2：SiC FET示意圖

與SiC MOSFET相比，SiC FET具有許多電氣優(yōu)勢和實用優(yōu)勢。例如，SiC JFET固有的溝道電子遷移率要好得多。溝道也較短，因此對于給定晶粒面積，SiC FET的導(dǎo)通電阻是SiC MOSFET的二分之一到四分之一，或者說，在獲得相同導(dǎo)通電阻的前提下，每個晶圓最多可以得到四倍于SiC MOSFET的晶粒。與硅超結(jié)MOSFET相比，該數(shù)字最高可達(dá)到13倍，且更高的性能有助于抵消SiC比硅高的物料成本。要進(jìn)行有意義的比較，導(dǎo)通電阻與晶粒面積的乘積RDS*A是一個有用的指標(biāo)。因為與SiC MOSFET相比，在相同導(dǎo)電損耗下，SiC FET器件的晶粒較小，所以SiC FET的器件電容較低，因而開關(guān)損耗也較低，以導(dǎo)通電阻乘以開關(guān)能量這一性能表征表示，即RDS*EOSS。

SiC FET的柵極就是共源共柵的Si MOSFET。它的閾值約為5V，穩(wěn)定，無遲滯，因而用12V或15V電壓就可輕松驅(qū)動至完全增強(qiáng)，它還兼容IGBT和Si MOSFET電平，且距離最大絕對值（通常為25V）有很大的裕度。由于器件尺寸小且Si MOSFET有隔離效果，可以不使用米勒電容，從而提高效率，因此開關(guān)速度非?？烨覔p耗低，而SiC JFET的低輸出電容也促進(jìn)了這一特點。在實際應(yīng)用中，通常會有意將邊緣放緩，以控制電磁干擾和電壓過沖，這可以通過增加?xùn)艠O電阻實現(xiàn)，通過小緩沖電路也能實現(xiàn)，且更有效。

反向或“第三象限”導(dǎo)電

是否能有效反向?qū)щ娡ǔＪ枪β书_關(guān)的一個關(guān)鍵考慮事項。IGBT不能，所以需要一個并聯(lián)二極管，而Si和SiC MOSFET有體二極管。SiC MOSFET中的二極管有可觀的反向恢復(fù)能量，因而會耗散部分功率，且其正向壓降高，約為4V。GaN HEMT單元可反向?qū)щ姸鵁o反向恢復(fù)，但是壓降高，且壓降與柵極關(guān)態(tài)電壓和溝道電阻相關(guān)，從而導(dǎo)致壓降達(dá)到數(shù)伏。相反，SiC FET的體二極管具有低壓共源共柵Si MOSFET的特征，因此正向壓降約為1.5V，反向恢復(fù)能量非常低，大約是SiC MOSFET的三分之一。SiC FET的較高性能有力地開拓了Si MOSFET所無法進(jìn)入的應(yīng)用領(lǐng)域，如“圖騰柱”功率因數(shù)校正級中的快速開關(guān)。圖3顯示了SiC FET和超結(jié)MOSFET的反向恢復(fù)特征，并與同一電壓級別的器件進(jìn)行了對比。

圖3：SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)的反向恢復(fù)電荷比硅SJ MOSFET小100倍左右

SiC FET十分可靠

工程師需要對器件可靠性有信心，這是十分自然的事，而SiC現(xiàn)在可以視為一種成熟技術(shù)，在現(xiàn)場和實驗中都具有很好的可靠性數(shù)據(jù)。SiC FET不具有已知會導(dǎo)致降級問題的SiC柵氧化層，這是它的另一個優(yōu)點。共源共柵結(jié)構(gòu)的柵極是可靠的低壓Si MOSFET的柵極，具有高閾值電壓和厚氧化層，而內(nèi)置穩(wěn)壓鉗位又提供了進(jìn)一步保護(hù)。與GaN單元不同，SiC FET具有雪崩額定值和固有的抗短路能力，它還有溝道“夾斷”效應(yīng)，而且與MOSFET和IGBT不同，該效應(yīng)極為一致，不受柵極電壓影響。由于溝道電阻溫度系數(shù)為正，SiC FET短路電流會隨時間減小，而且會在晶粒單元中均勻分布，因而更加穩(wěn)定。

最近推出的SiC FET器件采用銀燒結(jié)晶粒粘接方法，與焊料相比，該方法能將連接處的導(dǎo)熱系數(shù)提高六倍，減少結(jié)溫升高幅度并保持高可靠性。

SiC FET的最新發(fā)展

自誕生后，SiC FET已經(jīng)發(fā)展出了第四代產(chǎn)品。額定電壓已經(jīng)有所提高，導(dǎo)通電阻則降低至一定范圍，使得基片成為目前的限制因素，而且目前應(yīng)用“晶圓減薄”法來提高收益。產(chǎn)品的動態(tài)性能也得以改進(jìn)，因而部件可以在硬開關(guān)拓?fù)渲懈咝?yīng)用，也可以在軟開關(guān)操作中在非常高的頻率下應(yīng)用，如在LLC或相移全橋電路中。

SiC FET的安裝選項也增加了，從TO-247和TO-220封裝中的并排安裝發(fā)展到“堆疊式”晶粒結(jié)構(gòu)。還利用“開爾文”源極連接引入了有引腳的部件，以避免柵極驅(qū)動回路中的常見電感問題。最近推出的無引腳DFN8x8封裝可實現(xiàn)極低的連接電感和MHz頻率的開關(guān)。

SiC FET的吸引力

最新一代SiC FET使得開關(guān)向著理想開關(guān)又邁進(jìn)了一步，它的損耗極低，能輕松實施，且價格越來越有吸引力。這些器件由UnitedSiC提供，額定電壓從650V至1700V，導(dǎo)通電阻低至25毫歐。UnitedSiC在其網(wǎng)站上提供了免費設(shè)計助手“FET JET”計算器，用它能快速為一系列功率轉(zhuǎn)換拓?fù)溥x擇任何UnitedSiC器件并預(yù)測器件性能，包括PFC級和隔離/非隔離直流轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

（來源：UnitedSiC）

推薦閱讀：

國民技術(shù)匯聚11大主題與2款新品添彩ELEXCON 2022

對比硅麥與駐極體麥克風(fēng)

貿(mào)澤豐富的射頻無線設(shè)計資源為工程師設(shè)計提供強(qiáng)大支持

RS瑞森半導(dǎo)體高壓MOS在開關(guān)電源中的應(yīng)用

機(jī)器人航位推算：深入研究里程計測試與分析