【導讀】在各種電源應用領(lǐng)域，例如工業(yè)電機驅動(dòng)器、AC/DC 和 DC/DC 逆變器/轉換器、電池充電器、儲能系統等，人們不遺余力地追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能。性能要求越來(lái)越嚴苛，已經(jīng)超出了硅 (Si) 基 MOSFET 的能力，因而基于碳化硅 (SiC) 的新型晶體管架構應運而生。
本文主要探討了第三代SiC MOSFET在電源設計中的應用。文章對比了Si與SiC的材料特性，回顧了SiC MOSFET的發(fā)展歷程，并重點(diǎn)介紹了Toshiba Semiconductor and Storage Corp.的第三代SiC MOSFET系列，包括其結構優(yōu)化、性能提升的實(shí)例，說(shuō)明這些器件如何幫助設計人員在電源系統設計方面取得重大進(jìn)展。
在各種電源應用領(lǐng)域，例如工業(yè)電機驅動(dòng)器、AC/DC 和 DC/DC 逆變器/轉換器、電池充電器、儲能系統等，人們不遺余力地追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能。性能要求越來(lái)越嚴苛，已經(jīng)超出了硅 (Si) 基 MOSFET 的能力，因而基于碳化硅 (SiC) 的新型晶體管架構應運而生。
雖然新式器件在所有關(guān)鍵性能指標方面都有明顯的優(yōu)勢，但由于各種局限性和應用的不確定性，設計人員對第一代 SiC 器件持謹慎態(tài)度是明智的。第二代器件規格方面經(jīng)過(guò)優(yōu)化，也更多地考慮到了器件的細節。一方面 SiC MOSFET 性能不斷提升，另一方面上市時(shí)間的壓力加劇，設計人員開(kāi)始使用這些新式器件來(lái)達成產(chǎn)品目標。最近出現的第三代器件表明，基于 SiC 的電源裝置已經(jīng)成熟。這些器件在所有關(guān)鍵參數方面都做了改進(jìn)，同時(shí)借鑒了前幾代器件的設計導入經(jīng)驗和相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識。
由于各種深層物理學(xué)原因，SiC 有三大電氣特性與純硅明顯不同，每個(gè)特性均賦予其工作優(yōu)勢。此外，SiC 還有其他一些更微妙的差異（圖 1）。
更高的臨界擊穿電場(chǎng)電壓（約 2.8 MV/cm，Si 為 0.3 MV/cm），因而在給定電壓額定值下工作時(shí)，可以使用更薄的層，大大降低漏源導通電阻 (RDS(on))。
更高的導熱率，因而在橫截面上可以實(shí)現更高的電流密度。
更寬的帶隙（半導體和絕緣體中價(jià)帶頂部與導帶底部之間的能量差，單位為 eV），使得高溫下的漏電流更低。出于這個(gè)原因，SiC 二極管和場(chǎng)效應晶體管 (FET) 常被稱(chēng)為寬帶隙(WBG) 器件。
憑借良好的性能屬性和長(cháng)足的進(jìn)步，SiC 器件現在已在功率與速度的應用矩陣中占據了突出的位置，加入了 IGBT、硅基 MOSFET 和 GaN 器件的行列（圖 2）。
圖 2：SiC MOSFET 的性能屬性使其適用于非常廣泛的應用，涵蓋各種功率和頻率額定值。（圖片來(lái)源：Toshiba）
從基礎 SiC 材料科學(xué)和器件物理學(xué)到商用 SiC MOSFET，這條路很漫長(cháng)且艱難（圖 3）。經(jīng)過(guò)大量研究和生產(chǎn)努力，第一款基于 SiC 的器件（肖特基二極管）于 2001 年推出。在那之后的 20 年里，業(yè)界陸續開(kāi)發(fā)并發(fā)布了第一代、第二代和第三代量產(chǎn) SiC MOSFET。每一代產(chǎn)品都在特定參數方面做了針對性的改進(jìn)，同時(shí)也有一些不同的權衡。
Toshiba的第二代產(chǎn)品修改了 SiC 器件的基本結構，將肖特基勢壘二極管 (SBD) 嵌入 MOSFET 中，在很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題（圖 4）。這使可靠性提高了一個(gè)數量級以上。在新結構中，SBD 與單元內部的 PN 二極管平行放置，從而防止 PN 二極管通電。電流流經(jīng)嵌入式 SBD，因為其導通狀態(tài)電壓低于 PN 二極管，從而抑制了導通電阻的一些變化和 MOSFET 可靠性的降低。
具有嵌入式 SBD 的 MOSFET 已被投入實(shí)際使用，但僅用于高壓產(chǎn)品，例如 3.3 kV 電源裝置，因為嵌入式 SBD 會(huì )導致導通電阻最終上升到只有高壓產(chǎn)品才能承受的水平。Toshiba 調整了各種器件參數，發(fā)現 MOSFET 中 SBD 面積比是抑制導通電阻增加的關(guān)鍵。通過(guò)優(yōu)化 SBD 面積比，Toshiba 設計了一種 1.2 kV 級 SiC MOSFET，其可靠性得到了明顯改善。
然而，同許多增強產(chǎn)品一樣，有利也有弊。雖然新的器件結構大大提高了可靠性，但它也對兩個(gè) FoM 產(chǎn)生了不利影響。標稱(chēng) RDS(on) 和 RDS(on) × Qg 得以增加，導致 MOSFET 的性能下降。為了彌補和降低導通電阻，第二代 SiC MOSFET 增加了芯片面積，但這也增加了成本。
第三代器件真正成熟
認識到這一問(wèn)題之后，Toshiba 開(kāi)發(fā)了第三代 SiC MOSFET 器件，稱(chēng)為 TWXXXN65C/TWXXXN120C 系列。該系列器件優(yōu)化了電流擴展層的結構以減小單元尺寸，同時(shí)提供更高的額定電壓、更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的導通電阻。
通過(guò)降低擴展電阻 (Rspread)，部分降低了導通電阻。通過(guò)向 SiC MOSFET 的寬 P 型擴散區（P 阱）的底部注入氮氣，SBD電流得以增加。Toshiba 還減小了 JFET 區域并注入氮氣，以降低反饋電容和 JFET 電阻。由此，在不增加導通電阻的情況下，反饋電容得以降低。另外，通過(guò)對 SBD的位置進(jìn)行優(yōu)化，器件實(shí)現了導通電阻無(wú)波動(dòng)的穩定運行。
目前，該系列包括 650 V 和 1200 V SiC MOSFET，設計用于大功率工業(yè)應用，如 400 V 和 800 V AC/DC 電源、光伏 (PV) 逆變器和用于不間斷電源 (UPS) 的雙向 DC/DC 轉換器。650 V 和1200 V SiC MOSFET 均采用行業(yè)標準的三引線(xiàn) TO-247 封裝（圖 5）。
與 Toshiba 的第二代器件相比，這些第三代 SiC MOSFET 的 RDS(on) × Qg FoM 降低了 80%（降幅非常顯著(zhù)），同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗降低了約 20%。內置的肖特基勢壘二極管技術(shù)還提供了超低正向電壓 (VF)。
此外，還有其他與 MOSFET 相關(guān)的設計導入巧妙之處。以 VGSS 為例，VGSS 是在漏極和源極短路時(shí)可施加于柵極和源極之間的最大電壓。對于第三代 SiC 器件，VGSS 的范圍是 10 至 25 V，推薦值為 18 V。VGSS 額定值的范圍廣泛有助于簡(jiǎn)化設計，同時(shí)提高設計的可靠性。
此外，低電阻和更高柵極閾值電壓（VGS(th)，即 MOSFET 通道開(kāi)始導電的電壓）有助于防止故障，如因尖峰、毛刺和過(guò)沖而導致的意外導通。該電壓的范圍為 3.0 至 5.0 V，有助于確?？深A測的開(kāi)關(guān)性能且漂移極小，同時(shí)支持簡(jiǎn)化柵極驅動(dòng)器設計。
深入了解 650 V 和 1200 V 第三代SiC MOSFET
該系列的兩端分別是 650 V 和 1200 V 器件，由此可以看出其能力之全面。所有器件的物理封裝、引腳布局和原理圖符號都相同（圖 6），但具體細節不同。
其中一款 650 V 器件是 TW015N65C，這是一款 N 溝道器件，額定電流為 100 A，額定功率為 342 W。其典型規格值如下：輸入電容 (CISS) 為 4850 pF，柵極輸入電荷 (Qg) 低至 128 nC，標稱(chēng) RDS(on) 只有 15 mΩ。
除了顯示靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數的最小值、典型值和最大值的表格外，規格書(shū)中還有顯示關(guān)鍵參數的性能與溫度、漏極電流、柵源電壓 (VGS) 等因數關(guān)系的曲線(xiàn)圖。例如，RDS(on) 值與溫度、漏極電流 (ID)、柵源電壓 VGS 的關(guān)系如圖 7 所示。
圖 8 顯示了 1200 V 器件（例如20 A、107 W N 溝道器件 TW140N120C）的同一組規格和曲線(xiàn)圖。此SiC MOSFET 具有如下特性：CISS 低至 6000 pF，柵極輸入電荷 (Qg) 為 158 nC，RDS(on) 為 140 mΩ。
15 mΩ，100 A，342 W (TWO15N65C)
27 mΩ，58 A，156 W
48 mΩ，40 A，132 W
83 mΩ，30 A，111 W
107 mΩ，20 A，70 W
15 mΩ，100 A，431 W
30 mΩ，60 A，249 W
45 mΩ，40 A，182 W
60 mΩ，36 A，170 W
140 mΩ，20 A，107 W (TW140N120C)
相比于純硅器件，碳化硅 MOSFET 在關(guān)鍵的開(kāi)關(guān)參數方面有很大改進(jìn)。與前幾代器件相比，第三代 SiC 器件優(yōu)化了規格和 FoM，提高了可靠性，更好地滿(mǎn)足了柵極驅動(dòng)器的要求，并且對不可避免的設計導入上的微妙問(wèn)題提供了更深入的見(jiàn)解。這些 SiC MOSFET 讓電源系統設計人員擁有了額外的核心資源，使他們可以實(shí)現更高的能效、更小的尺寸和更好的整體性能。
（作者：Bill Schweber，來(lái)源：DigiKey得捷）
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