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碳化硅(SiC)功率器件篇之SiC-MOSFET

 親斤彳正禾呈 2021-09-24

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1. 器件結(jié)構(gòu)和特征

Si材料中越是高耐壓器件,單位面積的導通電阻也越大(以耐壓值的約2~2.5次方的比例增加),因此600V以上的電壓中主要采用IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)。

IGBT通過電導率調(diào)制,向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴,因此導通電阻比MOSFET還要小,但是同時由于少數(shù)載流子的積聚,在Turn-off時會產(chǎn)生尾電流,從而造成極大的開關(guān)損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低,不需要進行電導率調(diào)制就能夠以MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低阻抗。

而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流,所以用SiC-MOSFET替代IGBT時,能夠明顯地減少開關(guān)損耗,并且實現(xiàn)散熱部件的小型化。

另外,SiC-MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅(qū)動,從而也可以實現(xiàn)無源器件的小型化。

與600V~900V的Si-MOSFET相比,SiC-MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積?。蓪崿F(xiàn)小型封裝),而且體二極管的恢復損耗非常小。

主要應用于工業(yè)機器電源、高效率功率調(diào)節(jié)器的逆變器或轉(zhuǎn)換器中。

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2. 標準化導通電阻

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍,所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現(xiàn)高耐壓。

因此,在相同的耐壓值情況下,SiC可以得到標準化導通電阻(單位面積導通電阻)更低的器件。

例如900V時,SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1,就可以實現(xiàn)相同的導通電阻。

不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導通電阻,而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。

SJ-MOSFET只有900V的產(chǎn)品,但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。

因此,沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)(導通電阻變低,則開關(guān)速度變慢),就可以實現(xiàn)低導通電阻、高耐壓、快速開關(guān)等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?/span>

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3. VD - ID特性

SiC-MOSFET與IGBT不同,不存在開啟電壓,所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導通損耗。

而Si-MOSFET在150°C時導通電阻上升為室溫條件下的2倍以上,與Si-MOSFET不同,SiC-MOSFET的上升率比較低,因此易于熱設(shè)計,且高溫下的導通電阻也很低。

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※該數(shù)據(jù)是ROHM在相同條件下測試的結(jié)果,僅供參考。此處表示的特性本公司不做任何保證。

4. 驅(qū)動門極電壓和導通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低,但是另一方面,按照現(xiàn)在的技術(shù)水平,SiC-MOSFET的MOS溝道部分的遷移率比較低,所以溝道部的阻抗比Si器件要高。

因此,越高的門極電壓,可以得到越低的導通電阻(VCS=20V以上則逐漸飽和)。

如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驅(qū)動電壓VGS=10~15V不能發(fā)揮出SiC本來的低導通電阻的性能,所以為了得到充分的低導通電阻,推薦使用VGS=18V左右進行驅(qū)動。

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來源:ROHM

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