1200V CoolSiCTM MOSFET兼具高性能與高可靠性

　　施加20 A電流時，總損耗E_tot為0.43 mJ，開關頻率范圍為50~150 kHz。

　　試驗條件：V_GS=15/-5 V、R_Gext=4.5Ω、V_DS= 800 V、T_vj=175℃，4管腳TO-247 封裝半橋配置，TO-247封裝的第4個管腳將驅動直接接至源極管腳，避免源極雜散電感導致負載電流產生負反饋。因此，相比于3管腳TO-247封裝半橋配置，當電流為20 A時，總開關能量可降低約100 μJ。僅就使用相同芯片的優(yōu)化封裝而言，降幅達到30%。

　　圖5展示了MOSFET通過調節(jié)柵極電阻RG來輕松控制電壓斜率dv/dt的能力。對于變頻應用，這一點特別令人感興趣。然而，降低電壓斜率dv/dt的代價是增加開關損耗。

　　圖5為典型開關損耗(左軸，黑色曲線)和最大dv/dt值(右軸，紅色曲線)與RG的關系。試驗條件：V_DS=800V、I_D=40A、V_GS=15/-5V、T_vj=175℃，3管腳TO-247封裝半橋配置。

　　顯然，在沒有dv/dt限制的應用中，損耗降低更為顯著，并且損耗降低隨開關頻率而增加。在DC-DC升壓器或降壓/升壓拓撲中，這很常見，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)更小、更輕、更廉價的磁性元件。諸多不同研究已經證明，哪怕是用更高成本的開關器件，也能夠在許多應用里節(jié)省材料成本。SiC元件成本將隨時間的推移而降低，因此，今后三到五年，采用SiC器件的應用將越來越多。

靜態(tài)性能

　　MOSFET的靜態(tài)輸出特性的關鍵參數(shù)是總電阻RDS(ON)。在室溫和V_GS=15V條件下，新推出的芯片可以實現(xiàn)45m?的典型導通電阻。導通電阻溫度系數(shù)為正值，因而，該器件注定適用于并聯(lián)應用。圖6將輸出特性與目前英飛凌性能最好的1200V HighSpeed 3 IGBT進行了直接比較。得益于拐點電壓通態(tài)特性，特別是在輕載條件下，導通損耗可大幅降低。在系統(tǒng)級，不產生拐點電壓的導通性能特性，有可能大幅降低損耗。許多系統(tǒng)在其使用壽命期間的大多數(shù)時候都在輕載條件下運行，因此，導通損耗大大低于標準IGBT技術。哪怕在低于5 kHz的極低開關頻率和不變dv/dt斜率條件下，相比于當前市場上的商用IGBT解決方案，采用同步整流模式的集成體二極管無拐點電壓開關也可將總損耗降低50%。

　　不同于升壓級，典型逆變器應用要求精確界定的短路耐受能力，特別是現(xiàn)場發(fā)生故障時。為了滿足這個重要需求，CoolSiC? MOSFET將短路耐受能力納入技術規(guī)格的SiC MOSFET。

　　不同于典型DMOS性能，轉移特性(25℃/175℃)在V_GS=12 V時出現(xiàn)交叉點。高于12V時，電流隨溫度升高而下降，這有利于限制短路事件飽和電流。

　　圖7所示為最嚴重的所謂硬短路事件。詳盡地分析了器件在這種特殊情況下的性能和穩(wěn)定性。CoolSiC? MOSFET是第一個將短路耐受能力納入技術規(guī)格的碳化硅MOSFET。

　　不同于標準IGBT，短路電流升至器件額定電流的10倍。取決于上述特性，第一個尖峰結束后，，飽和電流隨溫度降至較低水平。

結語

　　英飛凌SiC溝道MOSFET概念將低導通電阻與優(yōu)化設計相結合，可防止過高柵極氧化層電場應力，從而實現(xiàn)類似于IGBT的柵極氧化層可靠性。就開關性能和損耗而言，SiC溝道MOSFET可實現(xiàn)優(yōu)異性能。分析證實，可在開通和關斷瞬態(tài)下，完全控制電壓斜率。柵極電阻也可以控制導通電流斜率。在關斷狀態(tài)下，di/dt取決于寄生電容效應。

　　此外，CoolSiC? MOSFET擁有電氣性能和諸如短路可靠性等穩(wěn)健特性的組合。

　　就電源轉換效率和功率密度而言，CoolSiC? MOSFET技術在電力電子方面具有開創(chuàng)性。

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第7期第80頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。