適用于運輸領域的SiC：設計入門

簡介

在這篇文章中，作者分析了運輸輔助動力裝置（APU）的需求，并闡述了SiC MOSFET、二極管及柵極驅動器的理想靜態(tài)和動態(tài)特性。

為什么使用寬帶隙（WBG）材料？

對于任何電力電子工程師來說，必須大致了解適用于功率半導體開關器件的半導體物理學原理，以便掌握非理想器件的電氣現(xiàn)象及其對目標應用的影響。理想開關在關斷時的電阻無窮大，導通時的電阻為零，并且可在這兩種狀態(tài)之間瞬間切換。從定量角度來看，由于基于MOSFET的功率器件是單極性器件，因此與這一定義最為接近。功率MOSFET結構中的導通狀態(tài)電流通過單極傳輸，這意味著N溝道器件中只有電子。由于沒有少數(shù)載流子注入，因此在柵極偏壓降低到一定的閾值電壓以下后，電流會立即斷開。

另一方面，雙極性器件可利用雙極性（電子-空穴）調(diào)制，將空穴注入基極，從而顯著提高導通能力。這些“額外”注入的載流子必須在器件從導通狀態(tài)切換到關斷狀態(tài)時消除。這可通過以下兩種方法實現(xiàn)：一是通過柵極驅動電流消除電荷，二是通過電子-空穴重組過程。雙極性器件的這種固有特點會造成顯著的功率損失，從而降低開關性能。因此，單極性器件更符合我們前文所述的三個理想條件之一，即理想的開關可以在導通/關斷狀態(tài)之間瞬間切換。

圖1. 價帶和導帶之間較寬的能量帶隙可使SiC在關斷狀態(tài)下成為較好的隔離器，并且能減少MOSFET的厚度

如何改善另外兩個理想條件？

半導體器件內(nèi)的電流必須流經(jīng)一個稱為漂移區(qū)的區(qū)域（見圖2）。此區(qū)域的作用是完全阻斷關斷狀態(tài)下的額定電壓。阻斷電壓越高，需要的溝道長度越長，從而導致電阻越大。這表明我們的理想功率開關性能會隨著標稱電壓的升高而變差。

考慮到硅材料的特性，高于200V的標稱電壓會因溝道過長而頗具挑戰(zhàn)性（使器件在電氣性能上和經(jīng)濟效益上都失去優(yōu)勢）。在這種情況下，IGBT等雙極性器件的優(yōu)勢較大（實現(xiàn)了開關權衡），寬帶隙半導體也是一種可以盡量減少不利影響的替代性技術解決方案。圖1重點介紹了寬價帶的優(yōu)勢（粒子不能占據(jù)這個帶區(qū)）?！皩拵丁辈牧系闹饕獌?yōu)點在于，在阻斷模式下可成為較好的隔離器（更接近左側的隔離器），在導通模式下可成為極其出色的導體（Si和SiC的載流子流動性都很高）。

圖2. 漂移區(qū)更窄是SiC的WBG特性的主要影響，這是導致總R_dson增大的最大因素。

目標應用中存在哪些寬帶隙優(yōu)勢？

我們已經(jīng)解釋過，WBG半導體支持采用固有快速MOSFET結構，適合非常高的阻斷電壓。對于諧振模式下的直流-直流轉換器，這一點尤為實用。輸出特性圖（圖3a）給出了有關這類器件導通性能的更多信息。Si-IGBT用作比較的參照物；我們可以看到，在某些交叉點上，當接近兩種器件的標稱電流時，SiC-MOSFET的固有性能更好（壓降更低）。這最終產(chǎn)生了一條平坦的效率曲線，并且有利于任何主要在略高于標稱功率的輕載條件下工作的轉換器。

圖3. 直接影響功率開關選擇的三個最重要電氣特性

如圖3c中所示，SiC-MOSFET結構的第三象限（有時稱為整流象限）工作模式有一個非常有趣的特點。在這種模式下，SiC-MOSFET可以用作二極管?；蛘?，如果我們導通溝道，則會開啟器件并產(chǎn)生極小的導通損耗。這樣的開關可用作雙向開關，在兩個方向上的性能幾乎相同。

柵極驅動挑戰(zhàn)

更高的柵極電壓需求：通常，SiC器件具有較寬的帶隙以及較高的P型基極層濃度水平（見圖2），因此其柵極電壓閾值較高，這樣主要是為了避免擊穿。因此，要在SiC功率MOSFET中達到合理的柵極驅動電壓以完全打開溝道，會成為一種根本性的挑戰(zhàn)。在圖3b中，捕捉到了SiC-MOS和Si-IGBT的典型傳輸特性。讀者會發(fā)現(xiàn)，SiC-MOS的溝道打開速度略微“緩慢”，在20V左右時，R_dson達到最小值。鑒于此，柵極驅動器應持續(xù)提供20V的柵極電壓，最好是可以進行配置。

由于存在柵極電荷殘留，SiC-MOS結構中必須具有負偏壓，同樣，最好可以進行配置以實現(xiàn)優(yōu)化。近乎理想的功率開關和它們周圍的封裝寄生元件（見圖4）的組合會引起過壓和振蕩。關鍵在于(a)盡量減少所有外部直流鏈路+連接+柵極路徑和內(nèi)部雜散高級功率模塊的封裝元件，包括開爾文型柵極連接；(b)利用優(yōu)化的SiC-MOS技術；以及(c)在適用的情況下，采用先進的柵極驅動技術，如圖4所示的有源柵極電壓控制（Augmented Switching?）。

圖4. 實現(xiàn)可靠、高效SiC-MOS驅動的柵極驅動器和封裝的主要假設

總結

憑借快速開關和高壓操作的出色組合，SiC MOSFET成為輔助電源的理想選擇，尤其是其出色的第三象限工作模式，進一步凸顯了其優(yōu)勢。隨著電動列車等新興技術的問世，SiC MOSFET成為了更具吸引力的選擇，無論對軟開關還是硬開關均適用。借助可最大限度地減少寄生效應的高級封裝技術和數(shù)字柵極驅動技術，這些強大的器件能夠充分發(fā)揮全部優(yōu)勢。