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

摘要

高頻開(kāi)關(guān)等寬帶隙半導體是實(shí)現更高功率轉換效率的助力。SiC FET就是一個(gè)例子，它由一個(gè)SiC JFET和一個(gè)硅MOSFET以共源共柵方式構成。

正文

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

發(fā)展歷程

雖然場(chǎng)效應晶體管（FET）是在20世紀30年代首次提出并注冊專(zhuān)利的，但是制造技術(shù)沒(méi)能跟上，因此，首個(gè)開(kāi)關(guān)功率轉換器采用的是鍺雙極性晶體管（BJT），它的實(shí)用性很差，漏電量很高且額定值非常有限。硅BJT是一個(gè)進(jìn)步，它成為了市場(chǎng)主流，且直至今日，一些功率非常低/低成本的轉換器仍會(huì )偶爾使用它。然而，由于開(kāi)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(zhù)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(wèn)世了，其額定值適合低功率轉換器，但是MOSFET技術(shù)和BJT技術(shù)結合構成的IGBT帶來(lái)了突破，它易于驅動(dòng)，具有高額定電壓，而且甚至在大電流下也具有低導電損耗。該器件變成了大功率應用下的首選解決方案，而且在今天的逆變器和電動(dòng)機領(lǐng)域仍具有非常大的市場(chǎng)。不過(guò)，它們距離完美開(kāi)關(guān)仍有很大距離，這主要是由開(kāi)關(guān)損耗造成的，尤其是“尾”電流造成的開(kāi)關(guān)損耗，它將工作頻率限制為最高數十 kHz，從而導致相關(guān)磁性元件體積大、重量大、損耗高且價(jià)格昂貴。

與此同時(shí)，硅MOSFET有改進(jìn)過(guò)的最新“超結”類(lèi)型，導通電阻足夠低，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(diǎn)。不過(guò)，在較高功率下，由于“平方”效果，較大的電流仍將在導通電阻內產(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，所以設計師們現在把改進(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通電阻較低，電飽和速度更好。它們還具有其他優(yōu)點(diǎn)，如每毫米的臨界擊穿電壓較高、能實(shí)現較小的芯片體積并進(jìn)而實(shí)現較低的電容以及可能較高的開(kāi)關(guān)速度。SiC的導熱系數比硅或GaN好得多，它不僅額定結溫較高，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

不過(guò)，作為寬帶隙產(chǎn)品中的佼佼者，SiC MOSFET仍然面臨著(zhù)挑戰，因為它固有的晶格缺陷數量要超過(guò)硅，所以會(huì )造成較低的電子遷移率和較高的導通電阻。柵極閾值電壓也表現出了明顯的不穩定性和遲滯現象，而且在短路和過(guò)壓等應力事件后柵氧化層會(huì )降級。它還會(huì )出現意外問(wèn)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大或遷移，進(jìn)而導致導通電阻和漏電電流上升。制程改進(jìn)顯著(zhù)改善了這一情況，不過(guò)，制造商仍需要在制程中進(jìn)行大量缺陷篩查，才能將場(chǎng)故障率維持在低水平，但是每個(gè)晶粒仍會(huì )受到一定影響。SiC MOSFET還需滿(mǎn)足特定的柵極驅動(dòng)要求才能實(shí)現最低的導通電阻，柵極電壓也必須接近最大絕對值才能具有防止瞬態(tài)過(guò)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(gè)可以考慮的方法，它沒(méi)有許多MOSFET會(huì )有的問(wèn)題。不過(guò)，JFET是常開(kāi)型器件，在實(shí)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相結合，構成了所謂的“SiC FET”（圖2）。該器件為常關(guān)狀態(tài)，具有寬帶隙器件的全部?jì)?yōu)勢，又容易用非臨界柵極驅動(dòng)來(lái)驅動(dòng)Si-MOSFET，后者為低壓型器件，具有非?？煽康臇叛趸瘜雍偷蛯娮?。

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(shí)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的導通電阻是SiC MOSFET的二分之一到四分之一，或者說(shuō)，在獲得相同導通電阻的前提下，每個(gè)晶圓最多可以得到四倍于SiC MOSFET的晶粒。與硅超結MOSFET相比，該數字最高可達到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，導通電阻與晶粒面積的乘積RDS*A是一個(gè)有用的指標。因為與SiC MOSFET相比，在相同導電損耗下，SiC FET器件的晶粒較小，所以SiC FET的器件電容較低，因而開(kāi)關(guān)損耗也較低，以導通電阻乘以開(kāi)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，穩定，無(wú)遲滯，因而用12V或15V電壓就可輕松驅動(dòng)至完全增強，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(kāi)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(diǎn)。在實(shí)際應用中，通常會(huì )有意將邊緣放緩，以控制電磁干擾和電壓過(guò)沖，這可以通過(guò)增加柵極電阻實(shí)現，通過(guò)小緩沖電路也能實(shí)現，且更有效。

反向或“第三象限”導電

是否能有效反向導電通常是功率開(kāi)關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵考慮事項。IGBT不能，所以需要一個(gè)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(guān)的反向恢復能量，因而會(huì )耗散部分功率，且其正向壓降高，約為4V。GaN HEMT單元可反向導電而無(wú)反向恢復，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)，從而導致壓降達到數伏。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(kāi)拓了Si MOSFET所無(wú)法進(jìn)入的應用領(lǐng)域，如“圖騰柱”功率因數校正級中的快速開(kāi)關(guān)。圖3顯示了SiC FET和超結MOSFET的反向恢復特征，并與同一電壓級別的器件進(jìn)行了對比。

圖3：SiC FET共源共柵結構的反向恢復電荷比硅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現在可以視為一種成熟技術(shù)，在現場(chǎng)和實(shí)驗中都具有很好的可靠性數據。SiC FET不具有已知會(huì )導致降級問(wèn)題的SiC柵氧化層，這是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。共源共柵結構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，而內置穩壓鉗位又提供了進(jìn)一步保護。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，而且與MOSFET和IGBT不同，該效應極為一致，不受柵極電壓影響。由于溝道電阻溫度系數為正，SiC FET短路電流會(huì )隨時(shí)間減小，而且會(huì )在晶粒單元中均勻分布，因而更加穩定。

最近推出的SiC FET器件采用銀燒結晶粒粘接方法，與焊料相比，該方法能將連接處的導熱系數提高六倍，減少結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，而且目前應用“晶圓減薄”法來(lái)提高收益。產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能也得以改進(jìn)，因而部件可以在硬開(kāi)關(guān)拓撲中高效應用，也可以在軟開(kāi)關(guān)操作中在非常高的頻率下應用，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”晶粒結構。還利用“開(kāi)爾文”源極連接引入了有引腳的部件，以避免柵極驅動(dòng)回路中的常見(jiàn)電感問(wèn)題。最近推出的無(wú)引腳DFN8x8封裝可實(shí)現極低的連接電感和MHz頻率的開(kāi)關(guān)。

SiC FET的吸引力

最新一代SiC FET使得開(kāi)關(guān)向著(zhù)理想開(kāi)關(guān)又邁進(jìn)了一步，它的損耗極低，能輕松實(shí)施，且價(jià)格越來(lái)越有吸引力。這些器件由UnitedSiC提供，額定電壓從650V至1700V，導通電阻低至25毫歐。UnitedSiC在其網(wǎng)站上提供了免費設計助手“FET JET”計算器，用它能快速為一系列功率轉換拓撲選擇任何UnitedSiC器件并預測器件性能，包括PFC級和隔離/非隔離直流轉換器拓撲。

（來(lái)源：UnitedSiC）

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