一文了解SiC碳化硅MOSFET的應用及性能優勢

共讀好書

碳化硅是第三代半導體產業發展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求。

碳化硅MOSFET具有高頻高效，高耐壓，高可靠性?？梢詫崿F節能降耗，小體積，低重量，高功率密度等特性，在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。

一. 碳化硅MOSFET常見封裝TO247

碳化硅MOSFET是一種基于碳化硅半導體材料的場效應晶體管。它的工作原理類似于傳統的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。主要由以下三個部分組成：

柵極（Gate）：柵極是用于控制MOSFET導通的部分。當施加正電壓時，柵極與通道之間形成電場，控制通道的導電性。

源極（Source）和漏極（Drain）：源極和漏極分別是MOSFET的輸入和輸出端。通過控制柵極電壓，調節源極和漏極之間的電流流動。

通道（Channel）：通道是源極和漏極之間的導電路徑。在碳化硅MOSFET中，通道由碳化硅材料構成，具有較高的載流子遷移率和耐壓能力。

碳化硅MOSFET的工作原理可以簡述如下：當柵極施加正電壓時，形成電場，使得通道中的載流子（電子或空穴）移動，導致源極和漏極之間形成導電路徑。通過調節柵極電壓，可以控制通道中的載流子濃度，從而控制MOSFET的導通程度。

二. 碳化硅MOSFET分平面結構和溝槽結構

三.相對應于硅基MOSFET以及IGBT，碳化硅MOSFTE有以下優點：

01

╱ 高工作頻率 ╱

傳統MOSFET工作頻率在60KHZ左右，而碳化硅MOSFET在1MHZ，甚至更高

用途：高頻工作，可以減小電源系統中電容以及電感或變壓器的體積，降低電源成本，讓電源實現小型化，美觀化。從而實現電源的升級換代。

02

╱ 低導通阻抗 ╱

碳化硅MOSFET單管最小內阻可以達到幾個毫歐，這對于傳統的MOSFET看來是不可想象的。市場量產碳化硅MOSFET最低內阻在16毫歐。

用途：輕松達到能效要求，減少散熱片使用，降低電源體積和重量，電源溫度更低，可靠性更高。

03

╱ 耐壓高 ╱

碳化硅MOSFET目前量產的耐壓可達3300V，最高耐壓6500V,一般硅基MOSFET和IGBT常見耐壓耐壓900V-1200V。

04

╱ 耐高溫 ╱

碳化硅MOSFET芯片結溫可達300度，可靠性，穩定性大大高于硅基MOSFET，

綜上所述：使用碳化硅MOSFET可以讓電源實現高效率，小體積，在一些高溫，高壓環境，在一定優勢。

四.碳化硅MOSFET的綜合特性

01

SiC器件的結構和特征

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進行電導率調制就能夠以高頻器件結構的MOSFET實現高耐壓和低阻抗。而且MOSFET原理上不產生尾電流，所以用SiC MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關損耗，并且實現散熱部件的小型化。另外，SiC MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅動，從而也可以實現被動器件的小型化。與600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優勢在于芯片面積?。梢詫崿F小型封裝），而且體二極管的恢復損耗非常小。

2

SiC Mosfet的導通電阻

SiC 的絕緣擊穿場強是Si 的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現高耐壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，SiC 可以得到標準化導通電阻（單位面積導通電阻）更低的器件。例如900V時，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以實現相同的導通電阻。不僅能夠以小封裝實現低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。目前SiC 器件能夠以很低的導通電阻輕松實現1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構（導通電阻變低，則開關速度變慢) ，就可以實現低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優點兼備的器件。

3

3Vd-Id特性

SiC‐MOSFET 與IGBT 不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內都能夠實現低導通損耗。而Si MOSFET 在150℃時導通電阻上升為室溫條件下的2 倍以上，與Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。

4

驅動門極電壓和導通電阻

SiC‐MOSFET 的漂移層阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照現在的技術水平，SiC MOSFET的MOS 溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導通電阻（Vgs=20V 以上則逐漸飽和）。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驅動電壓Vgs=10～15V 的話，不能發揮出SiC 本來的低導通電阻的性能，所以為了得到充分的低導通電阻，推薦使用Vgs=18V左右進行驅動。負壓建議-3左右?，F推出低導通內阻的碳化硅MOSFET，Vgs=15V進行驅動，后續推出Vgs=12V進行驅動碳化硅MOSFET,讓驅動電壓和硅基器件一至。

5

Vg-Id特性

SiC MOSFET 的閾值電壓在數mA 的情況下定義的話，與Si‐MOSFET 相當，室溫下大約3V（常閉）。但是，如果流通幾個安培電流的話，需要的門極電壓在室溫下約為8V 以上，所以可以認為針對誤觸發的耐性與IGBT 相當。溫度越高，閾值電壓越低。

6

Turn-On特性

SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度與Si IGBT 和Si MOSFET 相當，大約幾十ns。但是在感性負載開關的情況下，由通往上臂二極管的回流產生的恢復電流也流過下臂，由于各二極管性能的偏差，從而產生很大的損耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的體二極管的通?；謴碗娏鞣浅４?，會產生很大的損耗，而且在高溫下該損耗有進一步增大的趨勢。與此相反，SiC二極管不受溫度影響，可以快速恢復，SiC MOSFET 的體二極管雖然Vf 較高但是與碳化硅二極管相同，具有相當的快速恢復性能。通過這些快速恢復性能，可以減少Turn‐on 損耗（Eon）好幾成。開關速度極大程度上決定于外部的門極電阻Rg。為了實現快速動作，推薦使用幾Ω左右的低阻值門極電阻。另外還需要考慮到浪涌電壓，選擇合適的門極電阻。

7

Turn-Off特性

SiC MOSFET 的最大特點是原理上不會產生如IGBT中經常見到的尾電流。SiC 即使在1200V 以上的耐壓值時也可以采用快速的MOSFET 結構，所以，與IGBT 相比，Turn‐off 損耗（Eoff）可以減少約90%，有利于電路的節能和散熱設備的簡化、小型化。而且，IGBT 的尾電流會隨著溫度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 幾乎不受溫度的影響。另外，由于較大的開關損耗引起的發熱會致使結點溫度（Tj）超過額定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高頻區域內使用，但SiC MOSFET 由于Eoff 很小，所以可以進行50KHz 以上的高頻開關動作。通過高頻化，可以使濾波器等被動器件小型化。

8

內部門極電阻

芯片內部門極電阻與門極電極材料的薄層阻抗和芯片尺寸相關。如果是相同的設計，芯片內部門極電阻與芯片尺寸呈反比例，芯片尺寸越小，門極電阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器件小，雖然結電容更小，但是同時門極電阻也就更大。

9

門極驅動電路

SiC MOSFET 是一種易于驅動、驅動功率較少的常閉型、電壓驅動型的開關器件?；镜尿寗臃椒ê虸GBT 以及Si MOSFET一樣。推薦的驅動門極電壓，ON 側時為+18V 左右，OFF 側時為0V。在要求高抗干擾性和快速開關的情況下，也可以施加‐3～‐5V 左右的負電壓。當驅動大電流器件和功率模塊時，推薦采用緩沖電路。

10

體二極管的 Vf 和逆向導通

與Si MOSFET 一樣，SiC MOSFET體內也存在因PN結而形成的體二極管（寄生二極管）。但是由于SiC的帶隙是Si的3倍，所以SiC MOSFET的PN二極管的開啟電壓大概是3V左右，比較大，而且正向壓降（Vf）也比較高。以往，當Si MOSFET外置回流用的快速二極管時，由于體二極管和外置二極管的Vf大小相等，為了防止朝向恢復慢的體二極管側回流，必須在MOSFET上串聯低電壓阻斷二極管，這樣的話，既增加了器件數量，也使導通損耗進一步惡化。然而，SiC MOSFET的體二極管的Vf 比回流用的快速二極管的Vf還要高出很多，所以當逆向并聯外置二極管時，不需要串聯低壓阻斷二極管。

體二極管的Vf比較高，這一問題可以通過如同整流一樣向門極輸入導通信號使其逆向導通來降低。逆變驅動時，回流側的臂上多數是在死區時間結束之后輸入門極導通信號（請確認使用中的CPU的動作），體二極管的通電只在死區時間期間發生，之后基本上是經由溝道逆向流過。因此，即使在只由MOSFET（無逆向并聯的SBD）構成的橋式電路中，體二極管的Vf較高也沒有問題。

11

體二極管的恢復特性

SiC MOSFET的體二極管雖然是PN 二極管，但是少數載流子壽命較短，所以基本上沒有出現少數載流子的積聚效果，與SBD 一樣具有超快速恢復性能（幾十ns）。因此Si MOSFET的體二極管與IGBT外置的FRD相比，其恢復損耗可以減少到IGBT外置的FRD的幾分之一到幾十分之一。體二極管的恢復時間與SBD相同，是恒定的，不受正向輸入電流If的影響（dI/dt 恒定的情況下）。在逆變器應用中，即使只由MOSFET 構成橋式電路，也能夠實現非常小的恢復損耗，同時還預期可以減少因恢復電流而產生的噪音，達到降噪。

從以上這些方面就能看出SiC MOSFET相對于Si IGBT和MOSFET的優勢所在。

五.碳化硅MOSFET應用案例

OBC和DC/DC中應用

充電樁中應用

光伏中應用

燃料電池系統中應用

白色家電中應用

六.碳化硅MOSFET應用領域

七.碳化硅MOSFET產品選型

八.碳化硅MOSFET新產品

產品線：碳化硅MOSFET晶圓片--碳化硅MOSFET單管--全碳化硅功率模塊

總結：

電力電子變換已經逐步進入高壓、特高壓領域，高壓功率器件是制約變換器體積、功耗和效率的決定性因素。特高壓交直流輸電、新能源并網、電動汽車等領域都對高電壓等級功率器件有著更高的要求和需求。目前，硅（Si）材料器件發展成熟、使用廣泛、性能可靠，然而其較小的禁帶寬度、擊穿電場和熱導率等特性大大制約了其在高功率、高電壓和高頻率下的應用。SiC作為寬禁帶半導體之一，在人們的探索和研究中逐漸走進了功率器件的舞臺，并憑借其比Si材料更高的禁帶寬度、擊穿場強和熱導率等優良特性，打破了Si材料的極限，在高電壓等級和大功率電能變換應用中體現出了較低的功率損耗、更高的開關頻率等優越性能，具有極大的潛力。

來源：SIC碳化硅MOS管及功率模塊的應用

審核編輯 黃宇