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碳化硅MOS管（SiC-MOSFET）

2022-11-28 1189

SiC材料與目前應(yīng)該廣泛的Si材料相比，較高的熱導(dǎo)率決定了其高電流密度的特性，較高的禁帶寬度又決定了SiC器件的高擊穿場強(qiáng)和高工作溫度。其優(yōu)點(diǎn)主要可以概括為以下幾點(diǎn)：

1) 高溫工作

SiC在物理特性上擁有高度穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，其能帶寬度可達(dá)2.2eV至3.3eV，幾乎是Si材料的兩倍以上。因此，SiC所能承受的溫度更高，一般而言，SiC器件所能達(dá)到的最大工作溫度可到600 oC。

2) 高阻斷電壓

與Si材料相比，SiC的擊穿場強(qiáng)是Si的十倍多，因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。

3) 低損耗

一般而言，半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗與其擊穿場強(qiáng)成反比，故在相似的功率等級下，SiC器件的導(dǎo)通損耗比Si器件小很多。且SiC器件導(dǎo)通損耗對溫度的依存度很小，SiC器件的導(dǎo)通損耗隨溫度的變化很小，這與傳統(tǒng)的Si器件也有很大差別。

4) 開關(guān)速度快

SiC的熱導(dǎo)系數(shù)幾乎是Si材料的2.5倍，飽和電子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的頻率下工作。

綜合以上優(yōu)點(diǎn)，在相同的功率等級下，設(shè)備中功率器件的數(shù)量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小，同時(shí)效率也有大幅度的提升。

在SiC MOSFET的開發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。1200V功率等級下，各類功率器件的特性比較結(jié)果，參與比較的SiC MOSFET是GE12N15L。需要指出的是，這些功率器件都為TO-247封裝，且IPW90R120C3耐壓僅為900V，但它已是所能找到的相似功率等級下，特性較好的Si MOSFET。

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通電阻比MOSFET還要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在Turn-off時(shí)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(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以MOSFET實(shí)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(shí)，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實(shí)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(shí)現(xiàn)無源器件的小型化。
與600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積小（可實(shí)現(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。
主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻

SiC的絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實(shí)現(xiàn)高耐壓。
因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻（單位面積導(dǎo)通電阻）更低的器件。
例如900V時(shí)，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(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。
不僅能夠以小封裝實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)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(dǎo)通電阻輕松實(shí)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(dǎo)通電阻變低，則開關(guān)速度變慢），就可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開關(guān)等各優(yōu)點(diǎn)兼?zhèn)涞钠骷?

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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(dǎo)通損耗。
而Si-MOSFET在150°C時(shí)導(dǎo)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(jì)，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

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4. 驅(qū)動門極電壓和導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通電阻的性能，所以為了得到充分的低導(dǎo)通電阻，推薦使用VGS=18V左右進(jìn)行驅(qū)動。