SiC MOSFET 的優勢和用例是什么？

碳化硅晶體管越來越多地用于高壓功率轉換器，因為它們可以滿足這些應用對尺寸、重量和/或效率的嚴格要求。但為什么這項技術對工程師如此著迷呢？該博客將提供一些見解。

碳化硅 (SiC) 的出色材料特性使快速開關單極器件的設計成為可能，而不是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 開關。因此，僅在 600V 及以下電壓的低壓世界中可行的解決方案現在也可以在更高的電壓下使用。其結果是提高了效率、更高的開關頻率、更少的熱耗散和節省空間——這些好處反過來又降低了整體系統成本。

Infineon Technologies大約在 30 年前就發現了這種潛力，并于 1992 年成立了一個專家團隊來開發用于高功率工業應用的 SiC 二極管和晶體管。以下是自那時以來達到的里程碑的簡短且不完整的列表：

2001年全球率先推出SiC基肖特基二極管

2006年第一個包含SiC器件的功率模塊

當前第五代SiC二極管的發布

隨著2017 年創新 Trench CoolSiC ? MOSFET的首次亮相，菲拉赫創新工廠全面轉向 150mm 晶圓技術

在以可靠的 SiC 器件為目標時，金屬氧化物半導體場效應晶體管 ( MOSFET ) 已被普遍接受為首選概念。最初，結型場效應晶體管 (JFET) 結構似乎是在 SiC 晶體管中兼顧性能和可靠性的最終解決方案。然而，隨著 150mm 晶圓技術的成熟，基于溝槽的 SiC MOSFET 已變得可行。這樣一來，雙擴散金屬氧化物半導體（DMOS）結構既要有性能，又要有高可靠性的困境可以得到解決。

基于寬帶隙的功率器件——例如 SiC 二極管和晶體管，或氮化鎵高電子遷移率晶體管 ( GaN HEMT )——是當今功率電子設計人員圖書館中的常見元件。但為什么？與傳統硅相比，碳化硅有何迷人之處？是什么讓 SiC 元件對設計工程師如此有吸引力，以至于他們在設計中如此頻繁地使用它們，盡管與硅高壓器件相比它們的成本更高？讓我們來看看幾個原因。

低損耗和高擊穿場是關鍵

在電源轉換系統中，設計工程師不斷努力減少轉換過程中的能量損失?，F代系統基于固態晶體管與無源元件一起打開和關閉的技術。對于與所用晶體管相關的損耗，有幾個方面是相關的。

首先，設計工程師必須考慮傳導階段的損耗。在 MOSFET 中，這些由經典電阻定義。在 IGBT 中，它是拐點電壓 (V ce_sat )形式的固定傳導損耗確定器，另外還有輸出特性的微分電阻。阻塞階段的損失通?？梢院雎圆挥?。

其次，設計工程師應該考慮到在開關期間始終存在 ON 和 OFF 狀態之間的過渡階段（圖 1）。相關損耗主要由器件電容定義。在 IGBT 中，由于少數載流子動力學（導通峰值、尾電流），進一步做出了貢獻。

基于這些考慮，您會期望選擇的器件始終是 MOSFET。然而，特別是對于高電壓，硅MOSFET的電阻變得如此之高，以至于總損耗平衡不如 IGBT，因為它們可以使用少數載流子的電荷調制來降低導通模式的電阻。

圖 1：圖中顯示了開關過程和靜態 IV 行為的圖形比較。（來源：英飛凌科技）

當考慮寬帶隙半導體時，情況發生了變化。圖 2總結了 SiC 和 GaN 與硅最重要的物理特性。帶隙和半導體的臨界電場之間的直接相關性是顯著的。對于 SiC，它大約是硅的 10 倍。

圖 2：圖像突出顯示了 SiC 和 GaN 與硅的關鍵物理特性。（來源：英飛凌科技）

有了這個特點，高壓元件的設計就不同了。圖 3以 5kV 半導體器件為例顯示了影響。在硅的情況下，由于適度的內部擊穿電場，半導體設計人員被迫使用相對較厚的有源區。此外，只有少數摻雜劑可以摻入有源區，從而導致高串聯電阻（如圖1所示）。

圖 3：SiC 允許更薄的半導體有源區。（來源：英飛凌科技）

SiC 的擊穿場高 10 倍，有源區可以做得更薄。同時，可以結合更多的自由載流子，因此可以實現更高的電導率?？梢哉f，就碳化硅而言，快速開關單極器件（例如 MOSFET 或肖特基二極管）與較慢的雙極結構（例如 IGBT 和 pn 二極管）之間的過渡現在已經轉向更高的阻斷電壓（圖 4） ).

圖 4：SiC 提供比傳統硅更高的阻斷電壓。（來源：英飛凌科技）

反之亦然：在 50V 左右的低電壓范圍內使用硅可能實現的功能對于 1200V 設備而言是可行的 SiC。

結論

WBG 技術的進步和碳化硅的卓越材料特性使這些設備能夠以更快的開關速度、低開關損耗和更薄的有源區運行，從而使設計具有更高的效率、更高的開關頻率和更好的空間節省。因此，SiC MOSFET 正成為功率轉換應用中優于傳統硅的首選。

SiC MOSFET的優勢和用例是什么？博客由 Peter Friedrichs 撰寫，首次發布在 infineon.com 上。經英飛凌許可，貿澤更新并重新發布了該博客。

審核編輯黃昊宇