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(guān)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(qū)動直接接至源極管腳，避免源極雜散電感導致負載電流產(chǎn)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(guān)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(diào)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(yīng)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(guān)損耗。

　　圖5為典型開關(guān)損耗(左軸，黑色曲線)和最大dv/dt值(右軸，紅色曲線)與RG的關(guān)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(yīng)用中，損耗降低更為顯著，并且損耗降低隨開關(guān)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(jīng)證明，哪怕是用更高成本的開關(guān)器件，也能夠在許多應(yīng)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(yīng)用將越來越多。

靜態(tài)性能

　　MOSFET的靜態(tài)輸出特性的關(guān)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(yīng)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(chǎn)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(shù)。哪怕在低于5 kHz的極低開關(guān)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(guān)也可將總損耗降低50%。

　　不同于升壓級，典型逆變器應(yīng)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(shù)規(guī)格的SiC MOSFET。

　　不同于典型DMOS性能，轉(zhuǎn)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(shù)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(jié)束后，，飽和電流隨溫度降至較低水平。

結(jié)語

　　英飛凌SiC溝道MOSFET概念將低導通電阻與優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合，可防止過高柵極氧化層電場應(yīng)力，從而實現(xiàn)類似于IGBT的柵極氧化層可靠性。就開關(guān)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(guān)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(guān)斷狀態(tài)下，di/dt取決于寄生電容效應(yīng)。

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

　　本文來源于《電子產(chǎn)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。