對于電網(wǎng)轉(zhuǎn)換、電動(dòng)汽車或家用電器等高功率應(yīng)用，碳化硅 (SiC) MOSFET 與同等的硅 IGBT 相比具有許多優(yōu)勢，包括更快的開關(guān)速度、更高的電流密度和更低的導(dǎo)通電阻。但是，SiC MOSFET 也存在自己的一系列問題，包括穩(wěn)健性、可靠性、高頻應(yīng)用中的瞬時(shí)振蕩，以及故障處理等。
對設(shè)計(jì)人員而言，成功應(yīng)用 SiC MOSFET 的關(guān)鍵在于深入了解 SiC MOSFET 獨(dú)有的工作特征及其對設(shè)計(jì)的影響。本文將提供此類見解，以及實(shí)現(xiàn)建議和解決方案示例。
為何使用 SiC MOSFET
要充分認(rèn)識 SiC MOSFET 的功能，一種有用的方法就是將它們與同等的硅器件進(jìn)行比較。SiC 器件可以阻斷的電壓是硅器件的 10 倍，具有更高的電流密度，能夠以 10 倍的更快速度在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，并且具有更低的導(dǎo)通電阻。例如，900 伏 SiC MOSFET 可以在 1/35 大小的芯片內(nèi)提供與 Si MOSFET 相同的導(dǎo)通電阻（圖 1）。
圖 1：SiC MOSFET（右側(cè)）與硅器件相比，具有更低的導(dǎo)通電阻和更高的電壓耐受能力。（圖片來源：ROHM Semiconductor）
標(biāo)準(zhǔn)硅 MOSFET 在高至 150°C 的溫度條件下工作時(shí)，RDS(on) 導(dǎo)通電阻要高出 25°C 時(shí)典型值的兩倍。采用正確封裝時(shí)，SiC MOSFET 可獲得 200°C 甚至更高的額定溫度。SiC MOSFET 的超高工作溫度也簡化了熱管理，從而減小了印刷電路板的外形尺寸，并提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
然而，SiC MOSFET 技術(shù)可能是一把雙刃劍，在帶來改進(jìn)的同時(shí)，也帶來了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在諸多挑戰(zhàn)中，工程師必須確保：
以最優(yōu)方式驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET，最大限度降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。
最大限度降低柵極損耗。柵極驅(qū)動(dòng)器需要能夠以最小的輸出阻抗和高電流能力，提供 +20 伏和 -2 伏到 -5 伏負(fù)偏壓。
尤其當(dāng)開關(guān)速度較快時(shí)，必須特別留意系統(tǒng)的寄生效應(yīng)。具體而言，這指的是硅模塊周圍通常存在的電感和電容之外的雜散電感和電容。
需要認(rèn)識到，SiC MOSFET 的輸出開關(guān)電流變化率 (di/dt) 遠(yuǎn)高于 Si MOSFET。這可能增加直流總線的瞬時(shí)振蕩、電磁干擾以及輸出級損耗。高開關(guān)速度還可能導(dǎo)致電壓過沖。
滿足高電壓應(yīng)用的可靠性和故障處理性能要求。
下面我們來了解一下存在的主要問題以及如何解決這些問題。
傳導(dǎo)和開關(guān)損耗
影響開關(guān)行為的主要方面包括關(guān)斷能量、導(dǎo)通能量、所謂的米勒效應(yīng)，以及柵極驅(qū)動(dòng)電流要求。
關(guān)斷能量 (Eoff) 取決于柵極電阻 (RG) 和 RGS(off)（柵源電壓，關(guān)閉）。通過降低 RG 或在關(guān)閉時(shí)間內(nèi)使用負(fù)柵極偏壓，可以增加?xùn)艠O的漏電流，從而降低 Eoff。為此，SiC MOSFET 的驅(qū)動(dòng)器 IC 應(yīng)該能夠管理較小的負(fù)柵極電壓，以便提供安全、穩(wěn)定的關(guān)斷狀態(tài)。
導(dǎo)通能量通常是指將 MOSFET 寄生電容充電至實(shí)現(xiàn)較低 RDS(on) 所需的電壓電平的過程。與關(guān)斷能量一樣，通過減小 RG 也能提升導(dǎo)通能量。Eon 與 Rg 的對比圖表顯示，當(dāng)柵極電阻從 10 Ω 變?yōu)?1 Ω 時(shí)，導(dǎo)通能量幾乎降低了 40%（圖 2）。
圖 2：Eon 與 Rg 的對比；通過降低柵極電阻 (Rg) 改善導(dǎo)通性能。（圖片來源：STMicroelectronics）
米勒效應(yīng)
如果橫跨柵極電阻器的壓降超過了半橋轉(zhuǎn)換器的上 MOSFET 的閾值電壓，則會(huì)發(fā)生稱為“米勒導(dǎo)通”或“米勒效應(yīng)”的寄生導(dǎo)通。當(dāng)存在米勒導(dǎo)通時(shí)，反向恢復(fù)能量 (Err) 可能會(huì)嚴(yán)重影響全局開關(guān)損耗。
為應(yīng)對這一點(diǎn)，SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)器可以加入一項(xiàng)米勒箝位保護(hù)功能，以控制半橋配置中功率級開關(guān)期間的米勒電流（圖 3）。
圖 3：米勒箝位是一種眾所周知的方法，可用于避免因寄生 dVds/dt 觸發(fā)的導(dǎo)通。圖中顯示的原理圖是米勒箝位保護(hù)連接的一個(gè)示例。（圖片來源：STMicroelectronics）
當(dāng)電源開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將會(huì)工作，以免當(dāng)同一支路上的另一個(gè)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，因柵極電容而可能出現(xiàn)感應(yīng)導(dǎo)通現(xiàn)象。
減小導(dǎo)通電阻
ROHM 的 SCT3030KLGC11 是一種良好的低導(dǎo)通電阻 SiC MOSFET，作為第三代器件，它在 1,200 伏電壓下工作，具有 30 毫歐姆 (mΩ) 的導(dǎo)通電阻。它使用專有的溝槽式柵極結(jié)構(gòu)，與之前的平面式 SiC MOSFET 相比，將輸入電容減小了 35%，將導(dǎo)通電阻減小了 50%。
溝槽式柵極指的是一種結(jié)構(gòu)，其中的 MOSFET 柵極是在芯片表面構(gòu)建的一個(gè)凹槽的側(cè)壁上成形的。ROHM 的測試表明，第三代解決方案可以在約 50 納秒 (ns) 的時(shí)間內(nèi)從 0 伏驟升至 800 伏。
但設(shè)計(jì)人員需要了解一項(xiàng)參數(shù)權(quán)衡，即新器件的短路電流耐受能力相對較低。這是因?yàn)椋c上一代器件相比，獲得給定導(dǎo)通電阻所需的硅量已幾乎減半。較小的硅片在短路狀態(tài)下沒有足夠的物質(zhì)量來承受較長時(shí)間的短路電流。
SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)要求
SiC MOSFET 需要的柵極電壓擺動(dòng)高于標(biāo)準(zhǔn)超級結(jié) MOSFET 和 IGBT。以 STMicroelectronics 的 SCT30N120 為例，它是一個(gè) 1200 伏、80 mΩ（典型值）SiC MOSFET，建議采用較高的（+20 伏）正偏壓柵極驅(qū)動(dòng)，以便最大限度減小損耗。不建議在正方向使用超過 +20 伏的電壓驅(qū)動(dòng)該 SiC MOSFET，因?yàn)?VGS 的最大絕對額定值為 +25 伏。該電壓可以低至 +18 伏，但這會(huì)導(dǎo)致 RDS(ON) 增大約 25%（20 A、25°C 時(shí)）。
根據(jù)具體應(yīng)用，還可能需要 -2 伏至 -6 伏范圍的負(fù)“關(guān)斷”柵極電壓。驅(qū)動(dòng)器的最大供電電壓額定值必須介于 22 伏與 28 伏之間，具體取決于是否應(yīng)用了負(fù)“關(guān)斷”電壓。鑒于器件開關(guān)所需的柵極電荷較低，較高的電壓擺動(dòng)不會(huì)影響所需的柵極驅(qū)動(dòng)功率。
可使用相關(guān)規(guī)格書中所列的柵極電荷，輕松計(jì)算導(dǎo)通或關(guān)斷 MOSFET 所需的柵極電流。對于 SCT30N120，VDD = 800 V、ID = 20 A、VGS = -2 至 20 V 條件下的總柵極電荷 (Qg) 通常為 106 毫微庫侖 (nC)。要實(shí)現(xiàn)最快的開關(guān)速度，驅(qū)動(dòng)器必須能夠拉出或灌入在 RG = 1 Ω、VGS(on) = +20 V 和 VGS(off) = -2 V 條件下測得的柵極峰值電流。這時(shí)，兩種情形（灌入/拉出）下的峰值柵極電流均低于 2 A。
最大限度減少寄生效應(yīng)和電磁干擾
器件的高速開關(guān)瞬態(tài)為電路中存在的寄生電感和電容提供了額外的能量。這些寄生效應(yīng)形成的諧振電路可能導(dǎo)致電壓和電流過沖及瞬時(shí)振蕩。當(dāng)一個(gè) MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)，而另一個(gè) MOSFET 正承載續(xù)流電流時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)電壓過沖，這時(shí)即使幾毫微亨的雜散電感所產(chǎn)生的電壓降也可能導(dǎo)致問題。
在硅 IGBT 中，電流拖尾造成了一定數(shù)量的關(guān)斷緩沖，從而減少了電壓過沖和瞬時(shí)振蕩。SiC MOSFET 沒有電流拖尾，因而漏極電壓過沖和寄生瞬時(shí)振蕩明顯高得多。
設(shè)計(jì)人員可通過以下方法降低這類寄生效應(yīng)：
高速開關(guān)的另一個(gè)結(jié)果是增加了電磁干擾 (EMI)。這是因?yàn)樵?MOSFET 的柵極電容充放電以及高速開關(guān)負(fù)載電流時(shí)，存在較高的變化率 (di/dt) 值。如果需要滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)，則減小在高頻應(yīng)用中開關(guān) SiC MOSFET 時(shí)的瞬時(shí)振蕩非常重要。
可靠性和故障處理
由于在 SiC 功率 MOSFET 中使用氧化物作為柵極絕緣層，該氧化物對器件的可靠性有直接的影響。在提高開關(guān)速度時(shí)，如果柵極氧化物承受的電壓超過了建議的工作值，則可能導(dǎo)致永久性故障。
早期的 SiC MOSFET 中存在這一問題，但有充分的證據(jù)表明，此問題現(xiàn)在已經(jīng)得到了有效的控制。
例如，Cree（Wolfspeed 旗下部門）的氧化物層與 Si MOSFET1 的氧化物層同樣可靠。假定柵極氧化物上的應(yīng)力保持在容許的水平以內(nèi)，最新的柵極氧化物技術(shù)可以在高溫工作時(shí)實(shí)現(xiàn)長期可靠性。據(jù) Wolfspeed 稱，用于提供 20 伏電壓的柵極，經(jīng)評估具有一千萬小時(shí)的使用壽命。
SiC MOSFET 的短路耐受時(shí)間通常約為 3 毫秒 (μs)，因此要實(shí)現(xiàn)可靠的 SiC MOSFET 操作和較長的使用壽命，快速檢測和快速關(guān)斷功能不可或缺。此外，重復(fù)的短路放電可能增大 SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻。
使用入門
設(shè)計(jì)人員可使用多種工具來幫助他們熟悉 SiC MOSFET。Cree 的 KIT8020CRD8FF1217P-1 SiC MOSFET 評估套件（圖 4）是其中值得研究的工具之一。它旨在演示所有采用標(biāo)準(zhǔn) TO-247 封裝的 Cree 1200 伏 MOSFET 和肖特基二極管的性能。其中包含了需要的全部功率級零件，可以快速組裝一個(gè)基于 Cree SiC MOSFET 和二極管的電源轉(zhuǎn)換器，并在半橋電路中搭配使用 SiC 器件。
它可以配置為不同的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洌ɡ缃祲夯蛏龎海p松獲取用于測量（包括 VGS、VDS 和 IDS）的關(guān)鍵測試點(diǎn)。
圖 4：Cree KIT8020CRD8FF1217P-1 SiC MOSFET 評估套件的總體框圖。該評估板上采用帶有電氣隔離的柵極驅(qū)動(dòng)塊來驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET Q1 和 Q2。（圖片來源：Cree Semiconductor）
該套件包含一個(gè)采用半橋配置并帶有兩個(gè) Cree 80 m?、1200 伏 MOSFET 和兩個(gè) 1200 伏、20 安肖特基二極管的評估板，一個(gè)帶安裝孔的擠制鋁材散熱器、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)鐵氧體磁珠、電源以及快速組裝功率級所需的其他所有組件。
總結(jié)
通過使用快速開關(guān)式 SiC 半導(dǎo)體來提高工作頻率，可以獲得以下好處：降低產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的損耗、降低熱管理要求、減小電感器尺寸，以及減少避免 EMI 問題所需的濾波。
如前所述，要充分利用 SiC MOSFET，必須考慮寄生效應(yīng)、導(dǎo)通電阻和故障處理等諸多因素。不過，通過增強(qiáng)意識、使用經(jīng)驗(yàn)證的解決方案和入門套件，以及遵循良好的工程實(shí)踐，將有助于避免出現(xiàn)任何問題，確保設(shè)計(jì)取得成功。
參考資料
D. A. Gajewski、S. H. Ryu、M. Das, B. Hull、J. Young、J. W. Palmour，“適合新一代電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的 1200 V 和 1700 V 4H-SiC DMOSFET 的可靠性性能”，材料科學(xué)論壇第 778-780 卷、第 967-970 頁。
