SiC-MOSFET特征及與Si-MOSFET、IGBT的區(qū)別

來源：techclass.rohm

SiC-MOSFET的特征
SiC-SBD的章節(jié)中也使用了類似的圖介紹了耐壓覆蓋范圍。本圖也同樣，通過與Si功率元器件的比較，來表示SiC-MOSFET的耐壓范圍。

目前SiC-MOSFET有用的范圍是耐壓600V以上、特別是1kV以上。關(guān)于優(yōu)勢，現(xiàn)將1kV以上的產(chǎn)品與當(dāng)前主流的Si-IGBT來比較一下看看。相對于IGBT，SiC-MOSFET降低了開關(guān)關(guān)斷時的損耗，實(shí)現(xiàn)了高頻率工作，有助于應(yīng)用的小型化。相對于同等耐壓的SJ-MOSFET（超級結(jié)MOSFET），導(dǎo)通電阻較小，可減少相同導(dǎo)通電阻的芯片面積，并顯著降低恢復(fù)損耗。

下表是600V～2000V耐壓的功率元器件的特征匯總。

雷達(dá)圖的RonA為單位面積的導(dǎo)通電阻（表示傳導(dǎo)時損耗的參數(shù)），BV為元器件耐壓，Err為恢復(fù)損耗，Eoff為關(guān)斷開關(guān)的損耗。SiC已經(jīng)很完美，在目前情況的比較中絕非高估。

下一篇將結(jié)合與SJ-MOSFET和IGBT的比較，更詳細(xì)地介紹SiC-MOSFET的特征。

功率晶體管的結(jié)構(gòu)與特征比較

繼前篇內(nèi)容，繼續(xù)進(jìn)行各功率晶體管的比較。本篇比較結(jié)構(gòu)和特征。

功率晶體管的結(jié)構(gòu)與特征比較

下圖是各功率晶體管的結(jié)構(gòu)、耐壓、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度的比較。

使用的工藝技術(shù)不同結(jié)構(gòu)也不同，因而電氣特征也不同。補(bǔ)充說明一下，DMOS是平面型的MOSFET，是常見的結(jié)構(gòu)。Si的功率MOSFET，因其高耐壓且可降低導(dǎo)通電阻，近年來超級結(jié)（Super Junction）結(jié)構(gòu)的MOSFET（以下簡稱“SJ-MOSFET”）應(yīng)用越來越廣泛。關(guān)于SiC-MOSFET，這里給出了DMOS結(jié)構(gòu)，不過目前ROHM已經(jīng)開始量產(chǎn)特性更優(yōu)異的溝槽式結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET。具體情況計劃后續(xù)進(jìn)行介紹。

在特征方面，Si-DMOS存在導(dǎo)通電阻方面的課題，如前所述通過采用SJ-MOSFET結(jié)構(gòu)來改善導(dǎo)通電阻。IGBT在導(dǎo)通電阻和耐壓方面表現(xiàn)優(yōu)異，但存在開關(guān)速度方面的課題。SiC-DMOS在耐壓、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度方面表現(xiàn)都很優(yōu)異，而且在高溫條件下的工作也表現(xiàn)良好，可以說是具有極大優(yōu)勢的開關(guān)元件。

這張圖是各晶體管標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)通電阻和耐壓圖表。從圖中可以看出，理論上SiC-DMOS的耐壓能力更高，可制作低導(dǎo)通電阻的晶體管。目前SiC-DMOS的特性現(xiàn)狀是用橢圓圍起來的范圍。通過未來的發(fā)展，性能有望進(jìn)一步提升。

從下一篇開始，將單獨(dú)介紹與SiC-MOSFET的比較。

SiC-MOSFET－與Si-MOSFET的區(qū)別

從本文開始，將逐一進(jìn)行SiC-MOSFET與其他功率晶體管的比較。

本文將介紹與Si-MOSFET的區(qū)別。尚未使用過SiC-MOSFET的人，與其詳細(xì)研究每個參數(shù)，不如先弄清楚驅(qū)動方法等與Si-MOSFET有怎樣的區(qū)別。在這里介紹SiC-MOSFET的驅(qū)動與Si-MOSFET的比較中應(yīng)該注意的兩個關(guān)鍵要點(diǎn)。

與Si-MOSFET的區(qū)別：驅(qū)動電壓

SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅(qū)動電壓即柵極－源極間電壓Vgs越高導(dǎo)通電阻越低的特性。下圖表示SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻與Vgs的關(guān)系。

導(dǎo)通電阻從Vgs為20V左右開始變化（下降）逐漸減少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅(qū)動電壓為Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建議在Vgs=18V前后驅(qū)動，以充分獲得低導(dǎo)通電阻。也就是說，兩者的區(qū)別之一是驅(qū)動電壓要比Si-MOSFET高。與Si-MOSFET進(jìn)行替換時，還需要探討柵極驅(qū)動器電路。

與Si-MOSFET的區(qū)別：內(nèi)部柵極電阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的內(nèi)部柵極電阻Rg依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸。如果是相同設(shè)計，則與芯片尺寸成反比，芯片越小柵極電阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此柵極電容小，但內(nèi)部柵極電阻增大。例如，1200V 80mΩ產(chǎn)品（S2301為裸芯片產(chǎn)品）的內(nèi)部柵極電阻約為6.3Ω。

這不僅局限于SiC-MOSFET，MOSFET的開關(guān)時間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內(nèi)部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值。SiC-MOSFET的內(nèi)部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此要想實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)，需要使外置柵極電阻盡量小，小到幾Ω左右。

但是，外置柵極電阻還承擔(dān)著對抗施加于柵極的浪涌的任務(wù)，因此必須注意與浪涌保護(hù)之間的良好平衡。

與IGBT的區(qū)別

上一章針對與Si-MOSFET的區(qū)別，介紹了關(guān)于SiC-MOSFET驅(qū)動方法的兩個關(guān)鍵要點(diǎn)。本章將針對與IGBT的區(qū)別進(jìn)行介紹。

與IGBT的區(qū)別：Vd-Id特性

Vd-Id特性是晶體管最基本的特性之一。下面是25℃和150℃時的Vd-Id特性。

請看25℃時的特性圖表。SiC及Si MOSFET的Id相對Vd（Vds）呈線性增加，但由于IGBT有上升電壓，因此在低電流范圍MOSFET元器件的Vds更低（對于IGBT來說是集電極電流、集電極-****極間電壓）。不言而喻，Vd-Id特性也是導(dǎo)通電阻特性。根據(jù)歐姆定律，相對Id，Vd越低導(dǎo)通電阻越小，特性曲線的斜率越陡，導(dǎo)通電阻越低。

IGBT的低Vd（或低Id）范圍（在本例中是Vd到1V左右的范圍），在IGBT中是可忽略不計的范圍。這在高電壓大電流應(yīng)用中不會構(gòu)成問題，但當(dāng)用電設(shè)備的電力需求從低功率到高功率范圍較寬時，低功率范圍的效率并不高。

相比之下，SiC MOSFET可在更寬的范圍內(nèi)保持低導(dǎo)通電阻。

此外，可以看到，與150℃時的Si MOSFET特性相比，SiC、Si-MOSFET的特性曲線斜率均放緩，因而導(dǎo)通電阻增加。但是，SiC-MOSFET在25℃時的變動很小，在25℃環(huán)境下特性相近的產(chǎn)品，差距變大，溫度增高時SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻變化較小。

與IGBT的區(qū)別：關(guān)斷損耗特性

前面多次提到過，SiC功率元器件的開關(guān)特性優(yōu)異，可處理大功率并高速開關(guān)。在此具體就與IGBT開關(guān)損耗特性的區(qū)別進(jìn)行說明。

眾所周知，當(dāng)IGBT的開關(guān)OFF時，會流過元器件結(jié)構(gòu)引起的尾（tail）電流，因此開關(guān)損耗增加是IGBT的基本特性。

比較開關(guān)OFF時的波形可以看到，SiC-MOSFET原理上不流過尾電流，因此相應(yīng)的開關(guān)損耗非常小。在本例中，SiC-MOSFET＋SBD（肖特基勢壘二極管）的組合與IGBT＋FRD（快速恢復(fù)二極管）的關(guān)斷損耗Eoff相比，降低了88%。

還有重要的一點(diǎn)是IGBT的尾電流隨溫度升高而增加。順便提一下，SiC-MOSFET的高速驅(qū)動需要適當(dāng)調(diào)整外置的柵極電阻Rg。這在前文“與Si-MOSFET的區(qū)別”中也提到過。

與IGBT的區(qū)別：導(dǎo)通損耗特性

接下來看開關(guān)導(dǎo)通時的損耗。

IGBT在開關(guān)導(dǎo)通時，流過Ic（藍(lán)色曲線）用紅色虛線圈起來部分的電流。這多半是二極管的恢復(fù)電流帶來的，是開關(guān)導(dǎo)通時的一大損耗。請記?。涸诓⒙?lián)使用SiC-SBC時，加上恢復(fù)特性的快速性，MOSFET開關(guān)導(dǎo)通時的損耗減少；FRD成對時的開關(guān)導(dǎo)通損耗與IGBT的尾電流一樣隨溫度升高而增加。

總之，關(guān)于開關(guān)損耗特性可以明確的是：SiC-MOSFET優(yōu)于IGBT。

另外，這里提供的數(shù)據(jù)是在ROHM試驗環(huán)境下的結(jié)果。驅(qū)動電路等條件不同，結(jié)果也可能不同。

體二極管的特性

上一章介紹了與IGBT的區(qū)別。本章將對SiC-MOSFET的體二極管的正向特性與反向恢復(fù)特性進(jìn)行說明。

如圖所示，MOSFET（不局限于SiC-MOSFET）在漏極-源極間存在體二極管。從MOSFET的結(jié)構(gòu)上講，體二極管是由源極-漏極間的pn結(jié)形成的，也被稱為“寄生二極管”或“內(nèi)部二極管”。對于MOSFET來說，體二極管的性能是重要的參數(shù)之一，在應(yīng)用中使用時，其性能發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

SiC-MOSFET體二極管的正向特性

下圖表示SiC-MOSFET的Vds-Id特性。在SiC-MOSFET中，以源極為基準(zhǔn)向漏極施加負(fù)電壓，體二極管為正向偏置狀態(tài)。該圖中Vgs＝0V的綠色曲線基本上表示出體二極管的Vf特性，。Vgs為0V即MOSFET在關(guān)斷狀態(tài)下，沒有通道電流，因此該條件下的Vd-Id特性可以說是體二極管的Vf-If特性。如“何謂碳化硅”中提到的，SiC的帶隙更寬，Vf比Si-MOSFET大得多。

而在給柵極-源極間施加18V電壓、SiC-MOSFET導(dǎo)通的條件下，電阻更小的通道部分（而非體二極管部分）流過的電流占支配低位。為方便從結(jié)構(gòu)角度理解各種狀態(tài)，下面還給出了MOSFET的截面圖。

SiC-MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性

MOSFET體二極管的另一個重要特性是反向恢復(fù)時間（trr）。trr是二極管開關(guān)特性相關(guān)的重要參數(shù)這一點(diǎn)在SiC肖特基勢壘二極管一文中也已說明過。不言而喻，MOSFET的體二極管是具有pn結(jié)的二極管，因而存在反向恢復(fù)現(xiàn)象，其特性表現(xiàn)為反向恢復(fù)時間（trr）。下面是1000V耐壓的Si-MOSFET和SiC-MOSFET SCT2080KE的trr特性比較。

如圖所示，示例的Si-MOSFET的trr較慢，流過較大的Irr。而SiC-MOSFET SCT2080KE的體二極管速度則非常快。trr、Irr均為幾乎可忽略的水平，恢復(fù)損耗Err已經(jīng)大幅降低。

SiC-MOSFET的應(yīng)用實(shí)例

本章將介紹部分SiC-MOSFET的應(yīng)用實(shí)例。其中也包括一些以前的信息和原型級別的內(nèi)容，總之希望通過這些介紹能幫助大家認(rèn)識采用SiC-MOSFET的好處以及可實(shí)現(xiàn)的新功能。另外，除了SiC-MOSFET，還可以從這里了解SiC-SBD、全SiC模塊的應(yīng)用實(shí)例。

SiC-MOSFET應(yīng)用實(shí)例1：移相DC/DC轉(zhuǎn)換器

下面是演示機(jī)，是與功率Power Assist Technology Ltd.聯(lián)合制作的。

全橋式逆變器部分使用了3種晶體管（Si IGBT、第二代SiC-MOSFET、上一章介紹的第三代溝槽結(jié)構(gòu)SiC-MOSFET），組成相同尺寸的移相DCDC轉(zhuǎn)換器，就是用來比較各產(chǎn)品效率的演示機(jī)。

首先，在SiC-MOSFET的組成中，發(fā)揮了開關(guān)性能的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了Si IGBT很難實(shí)現(xiàn)的100kHz高頻工作和功率提升。另外，第二代（2G）SiC-MOSFET中，由2個晶體管并聯(lián)組成了1個開關(guān)，但由于第三代（3G）SiC-MOSFET導(dǎo)通電阻更低，晶體管數(shù)得以從8個減少到4個。關(guān)于效率，采用第三代（3G）SiC-MOSFET時的結(jié)果最理想，無論哪種SiC-MOSFET的效率均超過Si IGBT。

SiC-MOSFET應(yīng)用實(shí)例2：脈沖電源

脈沖電源是在短時間內(nèi)瞬時供電的系統(tǒng)，應(yīng)用例有氣體激光器、加速器、X射線、等離子電源等。作為現(xiàn)有的解決方案有晶閘管等真空管和Si開關(guān)，但市場需要更高耐壓更高速的開關(guān)。針對這種市場需求，利用SiC的高耐壓和高速性能，實(shí)現(xiàn)了超高電壓高速開關(guān)。從高速性的角度看這是Si IGBT很難實(shí)現(xiàn)的。下例是與福島SiC應(yīng)用技研株式會社、株式會社京都New-Tronics、國立研究開發(fā)法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)合作開發(fā)，在CEATEC 2014、TECHNO-FRONTIER2015展出的產(chǎn)品。

?超高壓脈沖電源

• 特征

• ?超高耐壓偽N通道
  SiC MOSFET

• ?低導(dǎo)通電阻
  （以往產(chǎn)品的1/100以下）

• ?高重復(fù)頻率

• 應(yīng)用例

• ?荷電粒子加速器

• ?醫(yī)療用設(shè)備電源

• ?等離子發(fā)生器等

?1～10kV隨機(jī)脈沖發(fā)生器：13.2kV SiC開關(guān)