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Microchip Technology Inc. Tomas Krecek和Nitesh Satheesh 簡(jiǎn)介 在這篇文章中，作者分析了運輸輔助動(dòng)力裝置（APU）的需求，并闡述了SiC MOSFET、二極管及柵極驅動(dòng)器的理想靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。 為什么使用寬帶隙（WBG）材料？ 對于任何電力電子工程師來(lái)說(shuō)，必須大致了解適用于功率半導體開(kāi)關(guān)器件的半導體物理學(xué)原理，以便掌握非理想器件的電氣現象及其對目標應用的影響。理想開(kāi)關(guān)在關(guān)斷時(shí)的電阻無(wú)窮大，導通時(shí)的電阻為零，并且可在這兩種狀態(tài)之間瞬間切換。從定量角度來(lái)看，由于基于MOSFET的功率器件是單極性器件，因此與這一定義最為接近。功率MOSFET結構中的導通狀態(tài)電流通過(guò)單極傳輸，這意味著(zhù)N溝道器件中只有電子。由于沒(méi)有少數載流子注入，因此在柵極偏壓降低到一定的閾值電壓以下后，電流會(huì )立即斷開(kāi)。 另一方面，雙極性器件可利用雙極性（電子-空穴）調制，將空穴注入基極，從而顯著(zhù)提高導通能力。這些“額外”注入的載流子必須在器件從導通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)消除。這可通過(guò)以下兩種方法實(shí)現：一是通過(guò)柵極驅動(dòng)電流消除電荷，二是通過(guò)電子-空穴重組過(guò)程。雙極性器件的這種固有特點(diǎn)會(huì )造成顯著(zhù)的功率損失，從而降低開(kāi)關(guān)性能。因此，單極性器件更符合我們前文所述的三個(gè)理想條件之一，即理想的開(kāi)關(guān)可以在導通/關(guān)斷狀態(tài)之間瞬間切換。 
圖1. 價(jià)帶和導帶之間較寬的能量帶隙可使SiC在關(guān)斷狀態(tài)下成為較好的隔離器，并且能減少MOSFET的厚度 如何改善另外兩個(gè)理想條件？ 半導體器件內的電流必須流經(jīng)一個(gè)稱(chēng)為漂移區的區域（見(jiàn)圖2）。此區域的作用是完全阻斷關(guān)斷狀態(tài)下的額定電壓。阻斷電壓越高，需要的溝道長(cháng)度越長(cháng)，從而導致電阻越大。這表明我們的理想功率開(kāi)關(guān)性能會(huì )隨著(zhù)標稱(chēng)電壓的升高而變差。 考慮到硅材料的特性，高于200V的標稱(chēng)電壓會(huì )因溝道過(guò)長(cháng)而頗具挑戰性（使器件在電氣性能上和經(jīng)濟效益上都失去優(yōu)勢）。在這種情況下，IGBT等雙極性器件的優(yōu)勢較大（實(shí)現了開(kāi)關(guān)權衡），寬帶隙半導體也是一種可以盡量減少不利影響的替代性技術(shù)解決方案。圖1重點(diǎn)介紹了寬價(jià)帶的優(yōu)勢（粒子不能占據這個(gè)帶區）�！皩拵丁辈牧系闹饕獌�(yōu)點(diǎn)在于，在阻斷模式下可成為較好的隔離器（更接近左側的隔離器），在導通模式下可成為極其出色的導體（Si和SiC的載流子流動(dòng)性都很高）。
圖2. 漂移區更窄是SiC的WBG特性的主要影響，這是導致總Rdson增大的最大因素。 目標應用中存在哪些寬帶隙優(yōu)勢？ 我們已經(jīng)解釋過(guò)，WBG半導體支持采用固有快速MOSFET結構，適合非常高的阻斷電壓。對于諧振模式下的直流-直流轉換器，這一點(diǎn)尤為實(shí)用。輸出特性圖（圖3a）給出了有關(guān)這類(lèi)器件導通性能的更多信息。Si-IGBT用作比較的參照物；我們可以看到，在某些交叉點(diǎn)上，當接近兩種器件的標稱(chēng)電流時(shí)，SiC-MOSFET的固有性能更好（壓降更低）。這最終產(chǎn)生了一條平坦的效率曲線(xiàn)，并且有利于任何主要在略高于標稱(chēng)功率的輕載條件下工作的轉換器。
圖3. 直接影響功率開(kāi)關(guān)選擇的三個(gè)最重要電氣特性 如圖3c中所示，SiC-MOSFET結構的第三象限（有時(shí)稱(chēng)為整流象限）工作模式有一個(gè)非常有趣的特點(diǎn)。在這種模式下，SiC-MOSFET可以用作二極管�；蛘�，如果我們導通溝道，則會(huì )開(kāi)啟器件并產(chǎn)生極小的導通損耗。這樣的開(kāi)關(guān)可用作雙向開(kāi)關(guān)，在兩個(gè)方向上的性能幾乎相同。 柵極驅動(dòng)挑戰 更高的柵極電壓需求：通常，SiC器件具有較寬的帶隙以及較高的P型基極層濃度水平（見(jiàn)圖2），因此其柵極電壓閾值較高，這樣主要是為了避免擊穿。因此，要在SiC功率MOSFET中達到合理的柵極驅動(dòng)電壓以完全打開(kāi)溝道，會(huì )成為一種根本性的挑戰。在圖3b中，捕捉到了SiC-MOS和Si-IGBT的典型傳輸特性。讀者會(huì )發(fā)現，SiC-MOS的溝道打開(kāi)速度略微“緩慢”，在20V左右時(shí)，Rdson達到最小值。鑒于此，柵極驅動(dòng)器應持續提供20V的柵極電壓，最好是可以進(jìn)行配置。 由于存在柵極電荷殘留，SiC-MOS結構中必須具有負偏壓，同樣，最好可以進(jìn)行配置以實(shí)現優(yōu)化。近乎理想的功率開(kāi)關(guān)和它們周?chē)姆庋b寄生元件（見(jiàn)圖4）的組合會(huì )引起過(guò)壓和振蕩。關(guān)鍵在于(a)盡量減少所有外部直流鏈路+連接+柵極路徑和內部雜散高級功率模塊的封裝元件，包括開(kāi)爾文型柵極連接；(b)利用優(yōu)化的SiC-MOS技術(shù)；以及(c)在適用的情況下，采用先進(jìn)的柵極驅動(dòng)技術(shù)，如圖4所示的有源柵極電壓控制（Augmented Switching™）。
圖4. 實(shí)現可靠、高效SiC-MOS驅動(dòng)的柵極驅動(dòng)器和封裝的主要假設 總結 憑借快速開(kāi)關(guān)和高壓操作的出色組合，SiC MOSFET成為輔助電源的理想選擇，尤其是其出色的第三象限工作模式，進(jìn)一步凸顯了其優(yōu)勢。隨著(zhù)電動(dòng)列車(chē)等新興技術(shù)的問(wèn)世，SiC MOSFET成為了更具吸引力的選擇，無(wú)論對軟開(kāi)關(guān)還是硬開(kāi)關(guān)均適用。借助可最大限度地減少寄生效應的高級封裝技術(shù)和數字柵極驅動(dòng)技術(shù)，這些強大的器件能夠充分發(fā)揮全部?jì)?yōu)勢。 |
