如何將第三代 SiC MOSFET 應(yīng)用于電源設(shè)計(jì)以提高性能和能效

在各種電源應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、AC/DC 和 DC/DC 逆變器/轉(zhuǎn)換器、電池充電器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等，人們不遺余力地追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能。性能要求越來越嚴(yán)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(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

在各種電源應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、AC/DC 和 DC/DC 逆變器/轉(zhuǎn)換器、電池充電器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等，人們不遺余力地追求更高效率、更小尺寸和更優(yōu)性能。性能要求越來越嚴(yán)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(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

雖然新式器件在所有關(guān)鍵性能指標(biāo)方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)，但由于各種局限性和應(yīng)用的不確定性，設(shè)計(jì)人員對(duì)第一代 SiC 器件持謹(jǐn)慎態(tài)度是明智的。第二代器件規(guī)格方面經(jīng)過優(yōu)化，也更多地考慮到了器件的細(xì)節(jié)。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(shè)計(jì)人員開始使用這些新式器件來達(dá)成產(chǎn)品目標(biāo)。最近出現(xiàn)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(shù)方面都做了改進(jìn)，同時(shí)借鑒了前幾代器件的設(shè)計(jì)導(dǎo)入經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

本文首先對(duì) Si 與 SiC 進(jìn)行比較，然后討論第三代 SiC MOSFET 的發(fā)展歷程。本文將介紹 Toshiba Semiconductor and Storage Corp.（下稱 Toshiba）的真實(shí)示例，說明這些器件如何幫助設(shè)計(jì)人員在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得重大進(jìn)展。

硅與碳化硅的比較

在過去的幾十年中，硅基 MOSFET 改變了從基本電源和逆變器到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Si MOSFET 經(jīng)過開關(guān)優(yōu)化，搭配絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，一種功能相似但結(jié)構(gòu)和屬性大不相同的半導(dǎo)體），能夠使電源轉(zhuǎn)換和管理從基于線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)低能效方法過渡到使用開關(guān)控制的更節(jié)能且更緊湊的方法。

這些設(shè)計(jì)大多使用某種形式的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，在閉環(huán)反饋配置中提供并保持所需的電壓、電流或功率值。隨著硅基 MOSFET 的使用越來越廣泛，對(duì)它的要求也越來越嚴(yán)苛。此外，新的能效目標(biāo)（許多是監(jiān)管要求）、電動(dòng)汽車和更智能電機(jī)控制的市場(chǎng)需求、可再生能源的電源轉(zhuǎn)換及相關(guān)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，都要求 MOSFET 以更好的性能起到更多作用。

最終，研究人員開展了大量研發(fā)工作來改善硅基 MOSFET 的性能，但他們意識(shí)到，研發(fā)工作逐漸達(dá)到了收益遞減的地步。幸運(yùn)的是，研究人員有一個(gè)理論上的替代方案，即 MOSFET 所基于的功率開關(guān)器件改用 SiC 作為基底，而不是純硅。

為何使用 SiC？

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(shì)。此外，SiC 還有其他一些更微妙的差異（圖 1）。

圖 1：SiC 與 Si 和氮化鎵 (GaN) 固體材料的關(guān)鍵材料特性的大致比較。（圖片來源：Researchgate）

這三大特性是：

· 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(dǎo)通電阻 (RDS(on))。

· 更高的導(dǎo)熱率，因而在橫截面上可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度。

· 更寬的帶隙（半導(dǎo)體和絕緣體中價(jià)帶頂部與導(dǎo)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(yīng)晶體管 (FET) 常被稱為寬帶隙 (WBG) 器件。

因此，基于 SiC 的器件可阻斷的電壓最多比純硅結(jié)構(gòu)高出 10 倍，開關(guān)速度是純硅器件的大約 10 倍，25°C 時(shí)相同芯片面積的 RDS(on) 只有純硅器件的一半或更低（當(dāng)然所有數(shù)值都是近似值）。此外，SiC 器件沒有有害的尾電流，因此關(guān)斷相關(guān)的損耗也較小。同時(shí)，工作溫度最高可達(dá)約 200℃（硅器件為 125℃），因而熱設(shè)計(jì)和熱管理問題得以簡(jiǎn)化。

憑借良好的性能屬性和長(zhǎng)足的進(jìn)步，SiC 器件現(xiàn)在已在功率與速度的應(yīng)用矩陣中占據(jù)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(yīng)用，涵蓋各種功率和頻率額定值。（圖片來源：Toshiba）

從基礎(chǔ) SiC 材料科學(xué)和器件物理學(xué)到商用 SiC MOSFET，這條路很漫長(zhǎng)且艱難（圖 3）。經(jīng)過大量研究和生產(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(xù)開發(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(shù)方面做了針對(duì)性的改進(jìn)，同時(shí)也有一些不同的權(quán)衡。

圖 3：商用 SiC 器件始于 2001 年出現(xiàn)的第一款商用 SiC 肖特基二極管。（圖片來源：IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017）

請(qǐng)注意，明確術(shù)語很重要：同之前的純硅器件一樣，基于 SiC 的 FET 也是 MOSFET。從廣義上講，其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)相似，二者均為三端子器件，具有源極、漏極和柵極連接。區(qū)別正如名稱所示：基于 SiC 的 FET 使用 SiC 而非純硅作為基材。

最初的第一代和第二代器件

許多參數(shù)可用來描述開關(guān)器件的性能。其中有許多靜態(tài)參數(shù)，包括最大工作電壓和最大額定電流，以及兩個(gè)靜態(tài)品質(zhì)因數(shù) (FoM)：RDS(on) 和最高工作溫度，它們與特定芯片尺寸和封裝的功率容量有關(guān)。

作為開關(guān)器件，動(dòng)態(tài)參數(shù)也很關(guān)鍵，因?yàn)樾枰ㄟ^動(dòng)態(tài)參數(shù)來評(píng)估開關(guān)損耗。最受關(guān)注的動(dòng)態(tài) FoM 是 RDS(on) 和柵極電荷的乘積 RDS(on) × Qg，而另一個(gè)參數(shù)反向恢復(fù)電荷 Qrr 也越來越重要。柵極驅(qū)動(dòng)器用于將電流正確地拉出和灌入器件，而且在此過程中不能發(fā)生過沖、瞬時(shí)振蕩或其他失真，其尺寸和能力主要由這些 FoM 決定。

第一代 SiC 器件的使用和市場(chǎng)增長(zhǎng)因?yàn)榭煽啃詥栴}而受阻。其中一個(gè)問題涉及 PN 二極管，此二極管位于功率 MOSFET 的電源和漏極之間。對(duì) PN 二極管施加電壓使其通電，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻改變，使器件的可靠性下降。

Toshiba 的第二代產(chǎn)品修改了 SiC 器件的基本結(jié)構(gòu)，將肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 嵌入 MOSFET 中，在很大程度上解決了這個(gè)問題（圖 4）。這使可靠性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在新結(jié)構(gòu)中，SBD 與單元內(nèi)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?yàn)槠鋵?dǎo)通狀態(tài)電壓低于 PN 二極管，從而抑制了導(dǎo)通電阻的一些變化和 MOSFET 可靠性的降低。

圖 4：與沒有內(nèi)部肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 的典型 SiC MOSFET（左）不同，具有 SBD 的器件（右）可以最大限度地減少寄生 PN 二極管的通電。（圖片來源：Toshiba）

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?yàn)榍度胧?SBD 會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻最終上升到只有高壓產(chǎn)品才能承受的水平。Toshiba 調(diào)整了各種器件參數(shù)，發(fā)現(xiàn) MOSFET 中 SBD 面積比是抑制導(dǎo)通電阻增加的關(guān)鍵。通過優(yōu)化 SBD 面積比，Toshiba 設(shè)計(jì)了一種 1.2 kV 級(jí) SiC MOSFET，其可靠性得到了明顯改善。

然而，同許多增強(qiáng)產(chǎn)品一樣，有利也有弊。雖然新的器件結(jié)構(gòu)大大提高了可靠性，但它也對(duì)兩個(gè) FoM 產(chǎn)生了不利影響。標(biāo)稱 RDS(on) 和 RDS(on) × Qg 得以增加，導(dǎo)致 MOSFET 的性能下降。為了彌補(bǔ)和降低導(dǎo)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(rèn)識(shí)到這一問題之后，Toshiba 開發(fā)了第三代 SiC MOSFET 器件，稱為 TWXXXN65C/TWXXXN120C 系列。該系列器件優(yōu)化了電流擴(kuò)展層的結(jié)構(gòu)以減小單元尺寸，同時(shí)提供更高的額定電壓、更快的開關(guān)速度和更低的導(dǎo)通電阻。

通過降低擴(kuò)展電阻 (Rspread)，部分降低了導(dǎo)通電阻。通過向 SiC MOSFET 的寬 P 型擴(kuò)散區(qū)（P 阱）的底部注入氮?dú)?，SBD 電流得以增加。Toshiba 還減小了 JFET 區(qū)域并注入氮?dú)猓越档头答侂娙莺?JFET 電阻。由此，在不增加導(dǎo)通電阻的情況下，反饋電容得以降低。另外，通過對(duì) SBD 的位置進(jìn)行優(yōu)化，器件實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通電阻無波動(dòng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，該系列包括 650 V 和 1200 V SiC MOSFET，設(shè)計(jì)用于大功率工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)換器。650 V 和 1200 V SiC MOSFET 均采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三引線 TO-247 封裝（圖 5）。

圖 5：Toshiba 的 650 V 和 1200 V 第三代 SiC MOSFET 采用標(biāo)準(zhǔn) T0-247 封裝，適用于廣泛的電源轉(zhuǎn)換、控制和管理應(yīng)用。（圖片來源：Toshiba）

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），同時(shí)開關(guān)損耗降低了約 20%。內(nèi)置的肖特基勢(shì)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(shè)計(jì)導(dǎo)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(duì)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(shè)計(jì)，同時(shí)提高設(shè)計(jì)的可靠性。

此外，低電阻和更高柵極閾值電壓（VGS(th)，即 MOSFET 通道開始導(dǎo)電的電壓）有助于防止故障，如因尖峰、毛刺和過沖而導(dǎo)致的意外導(dǎo)通。該電壓的范圍為 3.0 至 5.0 V，有助于確保可預(yù)測(cè)的開關(guān)性能且漂移極小，同時(shí)支持簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。

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(hào)都相同（圖 6），但具體細(xì)節(jié)不同。

圖 6：Toshiba 第三代 SiC MOSFET 系列的所有器件具有相同的物理布置和原理圖符號(hào)；注意符號(hào)中肖特基勢(shì)壘二極管是整體器件的一部分。（圖片來源：Toshiba）

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(guī)格值如下：輸入電容 (CISS) 為 4850 pF，柵極輸入電荷 (Qg) 低至 128 nC，標(biāo)稱 RDS(on) 只有 15 mΩ。

除了顯示靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的最小值、典型值和最大值的表格外，規(guī)格書中還有顯示關(guān)鍵參數(shù)的性能與溫度、漏極電流、柵源電壓 (VGS) 等因數(shù)關(guān)系的曲線圖。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 7：曲線圖從不同角度展示了 TWO15N65C 的導(dǎo)通電阻特性，包括漏極電流、環(huán)境溫度和 VGS。（圖片來源：Toshiba）

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(guī)格和曲線圖。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。

圖 8：TW140N120C 的導(dǎo)通電阻特性曲線圖。（圖片來源：Toshiba）

Toshiba 第三代 SiC MOSFET 提供 10 款器件，包括 5 款 650 V 器件和 5 款 1200 V 器件。在 25℃ 時(shí)，它們的導(dǎo)通電阻、電流和功率額定值如下所示：

650 V：

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

1200 V：

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)

總結(jié)

相比于純硅器件，碳化硅 MOSFET 在關(guān)鍵的開關(guān)參數(shù)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(guī)格和 FoM，提高了可靠性，更好地滿足了柵極驅(qū)動(dòng)器的要求，并且對(duì)不可避免的設(shè)計(jì)導(dǎo)入上的微妙問題提供了更深入的見解。這些 SiC MOSFET 讓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員擁有了額外的核心資源，使他們可以實(shí)現(xiàn)更高的能效、更小的尺寸和更好的整體性能。

（來源：Digi-Key，作者：Bill Schweber）