如何正確理解SiC MOSFET的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性

CoolSiC? MOSFET集高性能、堅(jiān)固性和易用性于一身。由于開(kāi)關(guān)損耗低，它們的效率很高，因此可以實(shí)現(xiàn)高功率密度。但盡管如此，工程師需要了解器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能以及關(guān)鍵影響參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)他們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在下面的文章中，我們將為您提供更多關(guān)于這方面的見(jiàn)解。

溫度對(duì)CoolSiC? MOSFET導(dǎo)通特性的影響

MOSFET靜態(tài)輸出特性的關(guān)鍵參數(shù)是漏極-源極導(dǎo)通電阻RDS(on)。我們定義了CoolSiC? MOSFET不同溫度下的輸出特性曲線(xiàn)，如圖1左側(cè)所述。閾值電壓VGS(th)遵循器件的物理原理，隨著溫度的升高而下降，如圖1右側(cè)所示。

圖1：45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET在室溫和175°C下的輸出特性(左)以及Ron和VGS(th)對(duì)溫度的依賴(lài)性(右)

圖1右側(cè)可見(jiàn)，CoolSiC? MOSFET的導(dǎo)通電阻呈明顯的正溫度系數(shù)的，這是低溝道缺陷密度的結(jié)果，使得該器件非常適合并聯(lián)使用。這是與DMOS（雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）元件的另一個(gè)顯著區(qū)別。DMOS通常顯示出電阻對(duì)溫度的依賴(lài)性較弱，因?yàn)樗鼈儨系乐械娜毕菝芏雀摺?/p>

DMOS這種電阻對(duì)溫度依賴(lài)性弱的特性乍聽(tīng)起來(lái)很有吸引力。然而，隨著向更低的導(dǎo)通電阻的發(fā)展，漂移區(qū)的正溫度系數(shù)將越來(lái)越多地主導(dǎo)總的導(dǎo)通電阻。因此，SiC MOSFET將變得更像硅。即使如此，SiC MOSFET的實(shí)際溫度系數(shù)也會(huì)低于相同阻斷電壓下的硅器件。這是由于其絕對(duì)摻雜密度較高的結(jié)果。此外，由于漂移區(qū)對(duì)總電阻的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，在較高的阻斷電壓下，導(dǎo)通電阻的溫度依賴(lài)性將更加明顯。圖2定性顯示了這種行為。

圖2：MOSFETs的導(dǎo)通電阻的主要行為與溫度的關(guān)系，以及與硅的比較。

同步整流改善體二極管的導(dǎo)通特性

與IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）相比，垂直MOSFET（如CoolSiC?器件）通過(guò)體二極管提供反向?qū)窂?，這實(shí)際上是一個(gè)續(xù)流二極管。然而，由于SiC的寬帶隙，該二極管的轉(zhuǎn)折電壓約為3V，相對(duì)較高。這意味著連續(xù)工作將導(dǎo)致高導(dǎo)通損耗。因此，工程師需要使用同步整流，使二極管只是在一個(gè)很短的死區(qū)時(shí)間內(nèi)工作。在這段時(shí)間之后，通過(guò)像第一象限模式那樣施加一個(gè)正的VGS，溝道再次被打開(kāi)。

這種工作方案在第三象限模式中提供了非常低的導(dǎo)通損耗，因?yàn)闆](méi)有轉(zhuǎn)折電壓，實(shí)現(xiàn)了與第一象限模式中相同的電阻，實(shí)際上，該電阻甚至略低。這是因?yàn)镴FET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的影響減少了。圖3顯示了不同柵極電壓下第三象限操作的I-V特性。請(qǐng)注意，由于p-n二極管的結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)一定的脈沖電流處理能力，這可能比正向?qū)顟B(tài)下，器件所允許的脈沖電流更高。

圖3：45mΩ CoolSiC? MOSFET的體二極管的I-V行為

電容決定了SiC-MOSFET的動(dòng)態(tài)性能

作為一個(gè)單極器件，SiC MOSFET的電容在很大程度上決定了其動(dòng)態(tài)性能。與輸入電容Ciss相比，SiC MOSFET的米勒電容Crss更小。這有利于抑制寄生導(dǎo)通，因此，在半橋電路中運(yùn)行時(shí)，可以避免使用復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)電路。即使使用0V的關(guān)斷電壓，許多CoolSiC? MOSFET可以安全地關(guān)斷。這是因?yàn)槌藘?yōu)化的電容比例（Crss/Ciss）之外，CoolSiC? MOSFET的閾值電壓也足夠高。圖4中的左圖總結(jié)了元件電容與VDS的關(guān)系。

圖4的右邊顯示了4腳TO-247封裝中的單器件半橋的典型開(kāi)關(guān)損耗與漏極電流的關(guān)系。關(guān)斷能量Eoff只略微依賴(lài)負(fù)載電流，因?yàn)樗怯呻娙葜鲗?dǎo)的。相比之下，開(kāi)通能量Eon隨電流線(xiàn)性增加，并主導(dǎo)著總損耗Etot。根據(jù)2019年年中的狀況，我們應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，CoolSiC? MOSFET在市售的1200V SiC MOSFET中顯示了最低的Eon。Eon和Eoff幾乎與溫度無(wú)關(guān)。需要注意的是，實(shí)際的封裝設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)關(guān)損耗有很大的影響，主要是對(duì)導(dǎo)通損耗。開(kāi)爾文引腳（TO247 4pin）在電流方面將功率回路與控制回路分開(kāi),因此有助于防止di/dt對(duì)柵極電壓的反饋，從而降低動(dòng)態(tài)損耗。

圖4：45mΩ CoolSiC? MOSFET的典型器件電容與漏極-源極電壓的關(guān)系(左)，開(kāi)關(guān)損耗與漏極電流的關(guān)系（右）(在VGS=15/-5V,RG_ext=4.5Ω,VDS=800V,Tvj =175°條件下)

CoolSiC? MOSFET的柵極電荷曲線(xiàn)通常與硅功率器件的典型形狀不同。特別是，如圖5左側(cè)所示，沒(méi)有明顯的米勒平臺(tái)。在ID=30A、VDS=800V和RG_ext=3.3kΩ、VGS(off)=-5V至VGS(on)=15 V時(shí)，總柵極電荷Qtot通常為75nC。

通常情況下，可能需要調(diào)整開(kāi)關(guān)速度（dv/dt），以處理振蕩等問(wèn)題。MOSFET的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)柵極電阻調(diào)整斜率，與合適的驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合，它甚至能實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)不同的變化率。右邊的圖5顯示了我們的45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET的相應(yīng)行為。

圖5：45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET的典型柵極電荷曲線(xiàn)（左）和通過(guò)RG,ext控制開(kāi)關(guān)速度的能力（右）。

SiC MOSFET的短路特性

圖6左邊是兩個(gè)45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET的短路波形：一個(gè)是4腳的TO-247封裝，另一個(gè)是3腳TO-247封裝。圖中顯示了兩者在VDS=800V的直流電壓下的情況。器件的短路波形與IGBT有很大的不同。最初，漏極電流迅速增加并達(dá)到一個(gè)電流峰值。由于開(kāi)爾文源設(shè)計(jì)中的反饋回路減少，4腳TO-247封裝的MOSFET的電流上升得更快，在短路事件開(kāi)始時(shí)，它也顯示出較少的自熱，峰值電流很高，超過(guò)300A。相反，3腳TO-247封裝的器件顯示出較小的峰值電流。造成這種情況的主要原因是di/dt作用于3腳元件的功率回路中的雜散電感，產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓對(duì)VGS產(chǎn)生負(fù)反饋，從而降低了開(kāi)關(guān)速度。由于開(kāi)爾文連接方案能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)，消除了這種影響。因此在退飽和效應(yīng)發(fā)生之前，4引腳器件的電流也可以上升到更高的值。

在峰值電流之后，漏極電流下降到大約150A。這是因?yàn)檩d流子遷移率的降低和自熱導(dǎo)致的溫度上升而產(chǎn)生了更明顯的JFET效應(yīng)。測(cè)試波形干凈穩(wěn)定，這證明了兩種封裝的TO-247 CoolSiC? MOSFET的典型3μs短路能力。對(duì)于功率模塊，根據(jù)相關(guān)的目標(biāo)應(yīng)用要求，目前的短路能力最高為2μs。我們的CoolSiC? MOSFET是第一個(gè)在數(shù)據(jù)表中保證短路耐受時(shí)間的器件。

為滿(mǎn)足目標(biāo)電源應(yīng)用的要求，CoolSiC? MOSFET技術(shù)在雪崩情況下顯示出高度的魯棒性。圖6右邊描述了一個(gè)1200V元件的典型雪崩行為。（新發(fā)布的650V器件CoolSiC?在數(shù)據(jù)表中標(biāo)注了雪崩等級(jí)）

圖6：在25°C下，典型的短路是持續(xù)時(shí)間的函數(shù)（左），以及1200V器件的雪崩行為，在60V下關(guān)閉3.85mH的無(wú)鉗位電感負(fù)載（右）。