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作者：Microchip Kevin Dykyj 碳化硅（SiC）MOSFET 技術(shù)的誕生標志著(zhù)電力電子領(lǐng)域取得重大進(jìn)步，可助力設計更為高效、緊湊和可靠的系統。SiC MOSFET 取代了傳統的硅器件，在提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)降低了開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。 挑選最佳解決方案：碳化硅 MOSFET 相較于 IGBT 的優(yōu)勢 碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）技術(shù)的誕生標志著(zhù)電力電子領(lǐng)域取得重大進(jìn)步，可助力設計更為高效、緊湊和可靠的系統。SiC MOSFET 取代了傳統的硅器件，在提 高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)降低了開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。這些優(yōu)勢有助于減小元件尺寸和減少元件數量，從而為整個(gè)系統減小尺寸、減輕重量和降低成本。SiC MOSFET 可助力實(shí)現高效、靈活且可靠的高電壓應用。 
SiC MOSFET 支持更高的工作溫度，更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的擊穿電壓，可助力打造更高效、更緊湊的電力電子系統。此外，SiC MOSFET 還具有更低的導通電阻，有助于降低工作期間的功率損耗。得益于穩健性和對熱失控免疫能力的提升，SiC 更適合大功率應用。我們的 mSiC™ MOSFET 涵蓋700V、1200V、1700V 和 3300V（3.3 kV）SiC MOSFET。 綜上所述，SiC 與硅相比具有以下優(yōu)勢： • 工作溫度更高 • 擊穿電壓更高 • 導通電阻更低 • 開(kāi)關(guān)速度更快 • 穩健性更高
mSiC MOSFET 的結構 在 SiC MOSFET 中，源極電極、漏極電極和柵極電極由SiC 漂移層（充當半導體）隔開(kāi)。向柵極電極施加電壓時(shí)，將形成電場(chǎng)來(lái)控制源極電極與漏極電極之間的電流流動(dòng)。
柵極氧化層穩定性 第三方測試結果表明，在負柵極和正柵極偏壓下施加長(cháng)達 1000 小時(shí)的加速應力后，mSiCMOSFET 中的閾值電壓幾乎沒(méi)有變化。這些數據是基于生產(chǎn)級 1200V、40 mΩ 器件統計得出。如果閾值電壓發(fā)生變化，器件性能（如導通電阻）也將發(fā)生明顯變化，并且隨著(zhù)時(shí)間的推移，這可能會(huì )導致系統行為不穩定并引發(fā)系統故障。鑒于閾值電壓如此穩定，電源轉換系統勢必能夠在設計的使用壽命內（甚至超出使用壽命）正常、可靠地運行。 除了單觸發(fā)非鉗位感性開(kāi)關(guān)（UIS）測試之外，還需要進(jìn)行重復 UIS（RUIS）測試來(lái)驗證氧化層強度；我們會(huì )先進(jìn)行 10 萬(wàn)次 RUIS 測試，然后進(jìn)行經(jīng)時(shí)介電層擊穿（TDDB）測試。 通過(guò)在正柵極和負柵極下施加 1000 小時(shí)加速高溫柵極偏壓（HTGB）應力并對比前后的電壓閾值（Vth）測量結果，我們發(fā)現閾值電壓幾乎沒(méi)有變化。如果閾值電壓發(fā)生變化，則會(huì )發(fā)現器件性能（如導通電阻）也發(fā)生明顯變化，這可能導致系統行為不穩定，最終引發(fā)系統故障。
柵極氧化層使用壽命 柵極氧化層的使用壽命決定著(zhù)器件能夠承受的最大工作電壓。柵極氧化層是將柵極電極與半導體基板隔開(kāi)的絕緣層。向柵極電極施加高電壓時(shí)，可能會(huì )擊穿柵極氧化層。這會(huì )導致流過(guò)器件的電流突然增大，進(jìn)而損壞或毀壞器件。 除了單次 UIS 測試之外，還需要進(jìn)行 RUIS 測試來(lái)驗證氧化層強度。我們會(huì )先進(jìn)行 10 萬(wàn)次 RUIS 測試，然后進(jìn)行 TDDB 測試。 通過(guò)使用生產(chǎn)級 mSiC MOSFET、加速氧化層失效、高溫和高電場(chǎng)，我們觀(guān)察到不同失效模式呈威布爾分布。我們可以計算每種失效模式的活化能，然后預測氧化層的壽命�；跍y試，我們發(fā)現在建議的 20V VGS條件下，氧化層的使用壽命長(cháng)達 100 年以上——即使在 175°C 的高溫環(huán)境下也能達到。 柵極氧化層的完整性至關(guān)重要，可確保其在整個(gè)使用壽命內可靠地發(fā)揮作用。此外，氧化層的強度還能在耐受電氣瞬變方面發(fā)揮作用。
數據來(lái)自生產(chǎn)級 1200V、40 mΩ SiCMOSFET 內部二極管穩定性 SiC MOSFET 自帶內部二極管，用于反向傳導電流。當 SiC MOSFET 關(guān)斷時(shí)，內部二極管將傳導電流以防止電壓升得過(guò)高。如果內部二極管不穩定，則會(huì )產(chǎn)生電壓尖峰，進(jìn)而導致器件損壞或失效。內部二極管的穩定性可能受溫度、電流和電壓等多個(gè)因素的影響。 與 IGBT 不同，SiC MOSFET 可使用自帶的內部二極管傳導反向電流。但是，在某些器件中，內部二極管的性能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而下降，導致內部二極管兩端的壓降變大，RDS(on)增加，進(jìn)而產(chǎn)生更多熱量并可能造成系統失效。 俄亥俄州立大學(xué)的研究人員曾對市面上的幾款 SiC MOSFET 產(chǎn)品進(jìn)行了研究。他們在施加數小時(shí)的恒定正向電流應力后測量了內部二極管 I-V 曲線(xiàn)和 MOSFET RDS(on)。其中一家供應商的 內部二極管產(chǎn)品在開(kāi)始施加應力后不久就出現了明顯的性能下降，還有一家供應商的內部二極管品由于性能下降幅度過(guò)大直接報廢，而 Microchip 的內部二極管產(chǎn)品性能則沒(méi)有變化。 此外，使用穩定的內部二極管還可以減少元件數量（即，無(wú)需使用反并聯(lián)二極管或續流二極管），從而降低成本。我們的測試結果可以保證讓損耗曲線(xiàn)保持在設計窗口內，從而確保在汽車(chē)的使用壽命內正常發(fā)揮作用。
雪崩/重復 UIS 耐雪崩能力對于 SiC MOSFET 來(lái)說(shuō)非常重要，因為它可以讓器件承受高電壓而不損壞。向SiC MOSFET 施加高電壓時(shí)，形成的電場(chǎng)會(huì )導致電子脫離原子并造成電子雪崩。這種電子雪崩可能會(huì )導致流過(guò)器件的電流突然增大，進(jìn)而損壞或毀壞器件。 耐雪崩能力以雪崩能量來(lái)衡量，雪崩能量是指器件在發(fā)生故障之前能夠吸收的能量總量。SiC MOSFET 的雪崩能量通常比硅 MOSFET 高得多，這是 SiC 的固有特性使然。 當負載電流突然大量流入 MOSFET 時(shí)，不僅漏源電壓會(huì )一直攀升至實(shí)際的擊穿值，MOS 溝道也將得不到增強，進(jìn)而導致雪崩電流聚集在芯片邊緣附近。 我們觀(guān)察到四款 MOSFET 中有三款在 RUIS 測試中表現良好。但是，當我們查看 Microchip與其他三家 SiC MOSFET 供應商的 TDDB 測試結果時(shí)，我們發(fā)現 mSiC MOSFET 的表現尤為突出。對于每一款產(chǎn)品，我們都是先進(jìn)行一次 TDDB 測試，接著(zhù)進(jìn)行 10 萬(wàn)脈沖的 UIS 測試，最后再進(jìn)行一次 TDDB 測試。 只有我們的器件在 RDS(on)和漏源泄漏方面表現出無(wú)與倫比的穩定性，這表明我們的 mSiCMOSFET 確實(shí)具備很強的耐雪崩能力，能夠安全地度過(guò)最苛刻的電過(guò)應力條件。
抗短路能力 抗短路能力強的器件能夠承受高電流而不會(huì )損壞。發(fā)生短路時(shí)，流過(guò)器件的電流可能會(huì )增加到極高的水平，這會(huì )導致器件過(guò)熱并發(fā)生故障。SiC MOSFET 的抗短路能力比硅 MOSFET 強得多，因此能夠承受更高的電流而不會(huì )損壞。這一點(diǎn)對于存在短路風(fēng)險的應用以及對電流需求較高的應用（如電動(dòng)車(chē)（EV））來(lái)說(shuō)非常重要。 SiC MOSFET 的抗短路能力通過(guò)短路電流來(lái)衡量，短路電流是指器件在不損壞的情況下可以承受的最大電流。SiC MOSFET 的短路電流通常比硅 MOSFET 的短路電流高得多。這是因為 SiCMOSFET 是由能夠承受更高電流而不會(huì )損壞的材料制成。 短路耐受時(shí)間是指 MOSFET 能夠在漏極端子與源極端子之間突然短路的直流鏈路中保持有效的時(shí)長(cháng)。發(fā)生短路時(shí)，MOS 溝道會(huì )得到增強，這意味著(zhù)過(guò)應力浪涌會(huì )均勻地分散到整個(gè)芯片上。在各種直流電壓和柵極電壓下測試生產(chǎn)級 700V、35 mΩ mSiC MOSFET 時(shí)，我們發(fā)現對于350V 直流鏈路，該器件可以在 VGS = 20V 的條件下安全地度過(guò) 10 µs 的短路時(shí)間。即使是 560V 直流鏈路，700V MOSFET 也能承受 3 µs 的短路時(shí)間，這對于等待控制方案進(jìn)行救援來(lái)說(shuō)綽綽有余。
短路仿真短接直流鏈路上 MOSFET 漏極-源極的應用條件
單元增強（MOSFET 導通）；峰值電流會(huì )均勻地分散到整個(gè)芯片上 中子敏感性和 FIT 率 SiC 器件的抗輻射損傷能力同樣要比硅器件強，因為 SiC 的電子密度比硅高，這使得輻射更加難以影響原子中的電子。當系統的工作高度為海平面或海平面以上時(shí)，性能可能會(huì )受到中子的影響而下降甚至失效。測試表明，在額定電壓下，SiC MOSFET 的失效率（FIT）是同類(lèi)硅 IGBT 的十分之一。 針對多家供應商的 SiC 產(chǎn)品進(jìn)行的測試也表明，mSiC MOSFET 在抵抗中子輻射方面的表現優(yōu)于 SiC 競品器件。因此，從邏輯上來(lái)講，SiC 非常適合電動(dòng)車(chē)充電器、車(chē)載充電器和電源等應用（這類(lèi)應用的最高工作海拔高達 4000m 至 5000m）。
在額定電壓下，SiC MOSFET 的 FIT 率是同類(lèi)硅IGBT 的十分之一
Microchip SiC MOSFET 在抵抗中子輻射方面的表現優(yōu)于 SiC 競品器件 RDS(on)與結溫 RDS(on)與結溫之間的關(guān)系會(huì )影響電路的整體性能，因此非常重要。RDS(on)曲線(xiàn)能夠很好地指示耐用性，呈現器件的性能表現。如果 RDS(on)太高，電路將無(wú)法按預期工作。 較低的 RDS(on)有助于器件承受高溫和高壓，從而快速高效地進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，并且有助于器件承受惡劣的環(huán)境。此外，較低的 RDS(on)還可以提升電路的效率：RDS(on)越低，MOSFET 中的功率損耗越少。
了解 RDS(on)與結溫之間的關(guān)系之所以非常重要，還有一點(diǎn)是因為這有助于為應用挑選合適的 MOSFET。如果已知 MOSFET所承受的結溫，便可以選擇能夠承受該溫度且 RDS(on)較低的 MOSFET。這將有助于確保您的電路按預期工作。 如果整個(gè)溫度范圍內的 RDS(on)曲線(xiàn)更加平坦，則意味著(zhù) SiC MOSFET 器件在更大的溫度范圍內的導通損耗將具有更高的穩定性，這有助于設計人員更嚴格地把控熱管理裕度。 開(kāi)始使用 SiC 進(jìn)行設計 開(kāi)始使用碳化硅（SiC）進(jìn)行設計之前需要了解其優(yōu)勢和應用。我們提供了一系列碳化硅（SiC）功率產(chǎn)品，這是打造更快速、更高效的能源解決方案的關(guān)鍵所在。我們建議您事先閱讀一下我們的 SiC MOSFET Design Recommendations 和 Driving mSiC MOSFETs 應用筆記。 此外，我們還針對 SiC 設計流程提供了全面支持（包括大量文檔、設計工具、SiC 參考設計和技術(shù)支持），以輔助設計人員進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 |
