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碳化硅MOSFET有哪些优势?

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深圳逸盛通科技有限公司

时间 : 2018-09-27 23:12 浏览量 : 30

碳化硅MOSFET有哪些优势?


通过SiC系列的文《SiC材料到底“cool”在哪里?》,我们了解到了SiC材料本身的卓越性能。那么,使用SiC材料做成的器件又会有什么过人之处呢?接下来就让我们一探究竟吧。

  • 相比Si IGBT,CoolSiC™ 好在哪儿?

目前IGBT和MOSFET都是广泛使用的功率器件,特别是在高压电力电子领域IGBT 应用更为普遍。那么,IGBT 和MOSFET 究竟有哪些区别呢?其实它们的结构非常相似,正面采用多晶硅与漂移区形成金属-氧化物-半导体结构,作为门极;漂移区普遍采用N型掺杂的半导体来承受阻断电压;门极施加正压(高于器件阈值电压)时,器件导通,通态电流在漂移区纵向流动。区别主要在于IGBT 在漂移区背面有P+注入作为集电极,而MOSFET 直接在N漂移区背面淀积金属作为漏极。IGBT 背面的P+决定了它是双极型器件,在器件导通时,发射极注入电子,而集电极注入空穴,两种载流子均参与导电。在器件关断时,多余的空穴只能在体内进行复合,从而造成拖尾电流,增加了关断损耗,限制了开关频率的提高。而且在高温下,拖尾电流更加明显,造成更大的关断损耗。目前IGBT 能实现系统的开关频率均在100kHz 以下。而MOSFET 只依赖电子进行导电,关断时电子可以迅速被抽走,没有拖尾电流,因而关断损耗更小,且基本不随温度变化。

图1:IGBT 与MOSFET 剖面结构图

下面我们通过实际测试数据来直观感受一下SiC 的优势。

1)开关损耗

图2是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3) 与CoolSiC™ MOSFET (IMW120R045M1) 在同一平台下进行开关损耗的对比测试结果。母线电压800V, 驱动电阻RG=2.2Ω,驱动电压为15V/-5V。使用1200V/20A G5 肖特基二极管 IDH20G120C5作为续流二极管。在开通阶段,40A 的电流情况下,CoolSiC™ MOSFET 开通损耗比IGBT 低约50%,且几乎不随结温变化。这一优势在关断阶段会更加明显,在25℃结温下,CoolSiC™ MOSFET 关断损耗大约是IGBT 的20%,在175℃的结温下,CoolSiC™ MOSFET 关断损耗仅有IGBT 的10%(关断40A电流)。且开关损耗温度系数很小。

图2:IGBT 与 CoolSiC™ 开关损耗对比

2)导通损耗

图3是1200V HighSpeed3 IGBT (IGW40N120H3) 与CoolSiC™ MOSFET (IMW120R045M1) 的输出特性对比。常温下,两个器件在40A 电流下的导通压降相同。当小于40A 时,CoolSiC™ MOSFET 显示出近乎电阻性的特性,而IGBT 则在输出特性上有一个拐点,一般在1V~2V, 拐点之后电流随电压线性增长。当负载电流为15A 时,在常温下,CoolSiC™ 的正向压降只有IGBT 的一半,在175℃结温下,CoolSiC™ MOSFET 的正向压降约是IGBT 的80%。在实际器件设计中,CoolSiC™ MOSFET 比IGBT 具有更低的导通损耗

图3:CoolSiC™ 和IGBT 导通损耗对比

3)体二极管续流特性

CoolSiC™ MOSFET 的本征二极管有着和SiC肖特基二极管类似的快恢复特性。25℃时,它的Qrr和相同电流等级的G5 SiC 二极管近乎相等。然而,反向恢复时间及反向恢复电荷都会随结温的增加而增加。从图4(a)中我们可以看出,当结温为175℃时,CoolSiC™ MOSFET 的Qrr略高于G5 肖特基二极管。图4(b)比较了650V 41mΩ Si MOSFET 本征二极管和CoolSiC™ MOSFET 本征二极管的性能。在常温及高温下,1200V CoolSiC™ MOSFET 体二极管仅有Si MOSFET 体二极管Qrr的10%。

图4 CoolSiC™ MOSFET 体二极管动态特性

  • 相比其它MOSFET,CoolSiC™ 好在哪儿?

我们已经了解到,SiC 材料虽然在击穿场强、热导率、饱和电子速率等方面相比于Si材料有着绝对的优势,但是它在形成MOS(金属-氧化物-半导体)结构的时候,SiC-SiO2 界面电荷密度要远大于Si-SiO2,这样造成的后果就是SiC表面电子迁移率要远低于体迁移率,从而使沟道电阻远大于体电阻,成为器件通态比电阻大小的主要成分。然而,表面电子迁移率在不同的晶面上有所区别。目前常见的SiC MOSFET 都是平面栅结构,Si-面上形成导电沟道,缺陷较多,电子迁移率低。英飞凌CoolSiC™ MOSFET 采用Trench 沟槽栅结构,导电沟道从水平的晶面转移到了竖直的晶面,大大提高了表面电子迁移率,使器件的驱动更加容易,寿命更长。

SiC MOSFET 在阻断状态下承受很高的电场强度,对于Trench 器件来说,电场会在沟槽的转角处集中,这里是MOSFET 耐压设计的一个薄弱点。英飞凌采用了崭新的非对称沟槽结构,如下图所示。在这个结构中,沟槽左侧有N+源极及P基区,可以形成正常的MOS导电沟道;沟槽的另外一侧大部分都被高掺杂的深P阱包围,在阻断状态下,这个P阱可以减弱施加在沟槽栅氧上的电场强度;在反向续流状态时,可以充当快恢复二极管使用,性能优于常规MOSFET体二极管。

图5:CoolSiC™ MOSFET 剖面示意图

相比于其它SiC MOSFET, CoolSiC™ MOSFET 有以下独特的优势:

a)为了与方便替换现在的Si IGBT,CoolSiC™ MOSFET 推荐驱动电压为15V,与现在Si 基IGBT 驱动需求兼容。CoolSiC™ MOSFET 典型阈值电压4.5V, 高于市面常见的2~3V的阈值电压。比较高的阈值电压可以避免门极电压波动引起的误触发。

b)CoolSiC™ MOSFET 有优化的米勒电容Cgd 与栅源电容Cgs 比值,在抑制米勒寄生导通的同时,兼顾高开关频率。

c)大面积的深P 阱可以用作快恢复二极管,具有极低的Qrr 与良好的鲁棒性。

d)CoolSiC™ MOSFET提供芯片,单管,模块多种产品。单管有TO-247 3pin 和 TO-247 4pin,开尔文接法可以防止米勒寄生导通,并减少开关损耗。模块有EASY1B,EASY 2B, 62mm 等等, 可以覆盖多种功率等级应用。模块采用低寄生电感设计,为并联设计优化,使PCB 布线更容易。

图6:CoolSiC™ 先期量产产品目录

综上所述,CoolSiC™ MOSFET是一场值得信赖的技术革命,凭借它的独特结构和精心设计,它将带给用户一流的系统效率,更高的功率密度,更低的系统成本。(英飞凌igbt厂家

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