SiC MOSFET 器件特性知多少？

對于高壓開關(guān)電源應(yīng)用，碳化硅或 SiC MOSFET 與傳統(tǒng)硅 MOSFET 和 IGBT 相比具有顯著優(yōu)勢。開關(guān)超過 1,000 V的高壓電源軌以數(shù)百 kHz 運行并非易事，即使是最好的超結(jié)硅 MOSFET 也難以勝任。IGBT 很常用，但由于其存在“拖尾電流”且關(guān)斷緩慢，因此僅限用于較低的工作頻率。因此，硅 MOSFET 更適合低壓、高頻操作，而 IGBT 更適合高壓、大電流、低頻應(yīng)用。SiC MOSFET 很好地兼顧了高壓、高頻和開關(guān)性能優(yōu)勢。它是電壓控制的場效應(yīng)器件，能夠像 IGBT 一樣進行高壓開關(guān)，同時開關(guān)頻率等于或高于低壓硅 MOSFET 的開關(guān)頻率。

SiC MOSFET 具有獨特的柵極驅(qū)動要求。一般來說，它在導(dǎo)通期間需要一個 20V、Vdd 柵極驅(qū)動來提供盡可能低的導(dǎo)通電阻。與對應(yīng)的硅器件相比，它具有更低的跨導(dǎo)、更高的內(nèi)部柵極電阻，且柵極導(dǎo)通閾值可低于 2 V。因此，在關(guān)斷期間，柵極必須拉低至負(fù)電壓（通常為 -5 V）。了解和優(yōu)化柵極驅(qū)動電路對可靠性和整體開關(guān)性能具有非常大的影響。

本系列文章將重點介紹 SiC MOSFET 特有的器件特性，并介紹了柵極驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵需求，以最大限度地提高 SiC 開關(guān)性能。另外還將討論系統(tǒng)級考慮因素，例如啟動、故障保護和穩(wěn)態(tài)切換。本文為第一部分，將介紹SiC MOSFET 特有的器件特性。

引言

碳化硅 (SiC) 屬于寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體材料系列，用于制造分立功率半導(dǎo)體。如表 1 所示，傳統(tǒng)硅 (Si) MOSFET 的帶隙能量為 1.12 eV，而 SiC MOSFET 的帶隙能量則為 3.26 eV。

SiC 和氮化鎵 (GaN) 具有更寬的帶隙能量，意味著將電子從價帶移動到導(dǎo)帶需要大約 3 倍的能量，從而使材料的表現(xiàn)更像絕緣體而不像導(dǎo)體。這使得 WBG 半導(dǎo)體能夠承受更高的擊穿電壓，其擊穿場穩(wěn)健性是硅的 10 倍。對于給定的額定電壓，較高的擊穿場可以減小器件的厚度，從而轉(zhuǎn)化為較低的導(dǎo)通電阻和較高的電流能力。SiC 和 GaN 都具有與硅相同數(shù)量級的遷移率參數(shù)，這使得兩種材料都非常適合高頻開關(guān)應(yīng)用。然而，與硅和 GaN 相比，SiC 最與眾不同的參數(shù)是其熱導(dǎo)率高出 3 倍以上。對于給定的功耗，較高的熱導(dǎo)率將轉(zhuǎn)化為較低的溫升。商用 SiC MOSFET 的最高保證工作溫度為 150°C < Tj < 200°C。相應(yīng)地，SiC的結(jié)溫最高可以達(dá)到 600℃ ，但其主要受鍵合和封裝技術(shù)的限制。這使得 SiC 成為適用于高壓、高速、高電流、高溫、開關(guān)電源應(yīng)用的優(yōu)質(zhì) WBG 半導(dǎo)體材料。

表 1. 半導(dǎo)體材料屬性

SiC MOSFET 通常適用于電壓范圍 650 V < BVDSS <1.7 kV，主要集中在 1.2 kV 及以上。在 650 V 的較低范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的硅 MOSFET 和 GaN 優(yōu)于 SiC。但是，考慮使用較低電壓的 SiC MOSFET 的原因之一可能是利用其出色的熱特性。

盡管 SiC MOSFET 的動態(tài)開關(guān)行為與標(biāo)準(zhǔn)硅 MOSFET 非常相似，但由于其器件特性，必須要考慮到其獨特的柵極驅(qū)動要求。

SiC MOSFET 特性

1、跨導(dǎo)

開關(guān)電源中使用的硅 MOSFET 在兩種工作模式或區(qū)域之間盡可能快地開關(guān)。當(dāng)柵極-源極電壓 VGS 小于柵閾值電壓 VTH 時，晶體管處于高阻狀態(tài)，此時被稱為截止區(qū)域。在截止期間，漏極-源極電阻 RDS 是高阻狀態(tài)，漏極電流 ID = 0 A。飽和區(qū)發(fā)生在 MOSFET 完全增強時，即 VGS >> VTH，此時 RDS(on) 為最小值或接近最小值，ID 達(dá)到最大值，晶體管處于高導(dǎo)通狀態(tài)。如圖 1 中紅色軌跡所示，線性（歐姆）區(qū)和飽和區(qū)之間的轉(zhuǎn)換非常尖銳和明顯，因此一旦 VGS > VTH，漏極電流就會通過相對較低的 RDS。跨導(dǎo) gm 是漏極電流變化量與柵極電壓變化量之比，它定義了 MOSFET 的輸出-輸入增益，也就是對于給定的 VGS，I-V 輸出特性曲線的斜率。

圖 1.SiC MOSFET 輸出特性

硅 MOSFET 的 I-V 曲線在線性區(qū)（大 ΔID）的斜率很陡峭，而在飽和區(qū)時幾乎是平的，因此在 VGS > VTH 時具有非常高的增益（高 gm）。對于給定的 VGS，ID 趨于平坦，這意味著硅 MOSFET 在飽和時表現(xiàn)得很像一個非理想的電流源。相反，在圖 1 中顯示的輸出特性曲線可以看出，SiC MOSFET 在線性和飽和工作模式之間的轉(zhuǎn)換并不劇烈。事實上，沒有定義的“飽和區(qū)”，從這個角度看，SiC MOSFET 的行為更像可變電阻而不是非理想的電流源。SiC MOSFET 的 I-V 輸出特性未表現(xiàn)出小 ΔVGS 時出現(xiàn)大 ΔID，因此，SiC MOSFET 被認(rèn)為是低增益（低 gm）器件。

唯一彌補低增益并強制大幅改變 ID 的方法是施加非常大的 VGS，這對 RDS 有很大影響。為了進一步說明這一點，請考慮圖 1 中標(biāo)記為 A 和 B 的兩個工作點。

當(dāng) VGS = 12 V 時，固定的漏極電流 ID = 20 A 會導(dǎo)致 VDS = 8.75 V，而當(dāng) VGS 增加到 20 V 時，VDS = 3.75 V。將公式 (3) 和 (4) 的結(jié)果進行比較，可以發(fā)現(xiàn)在 VGS = 12 V 時電阻和導(dǎo)通損耗是在 VGS = 20V 時的 2.3 倍。

因此，當(dāng)施加的最大柵極-源極電壓在 18 V < VGS < 20 V 之間時，SiC MOSFET 的性能最佳，有些甚至可以高達(dá) VGS = 25 V。SiC MOSFET 在低 VGS 下運行可能會導(dǎo)致熱應(yīng)力或可能由于高 RDS 而導(dǎo)致故障。與低 gm 相關(guān)的緩解效應(yīng)非常重要。它直接影響在設(shè)計合適的柵極驅(qū)動電路時必須考慮的幾個重要動態(tài)特性：特別是導(dǎo)通電阻、柵極電荷（米勒平臺區(qū)域）和過流 (DESAT) 保護。

2、導(dǎo)通電阻

作為 WBG 半導(dǎo)體，SiC MOSFET 在給定電壓下每單位面積的導(dǎo)通電阻較低。MOSFET 的導(dǎo)通電阻由幾個內(nèi)部的、與 VGS 有關(guān)的電阻元件組成。最值得注意的是通道電阻 (RCH)、JFET 電阻和漂移區(qū)域電阻 (RDRIFT)。RCH 具有負(fù)溫度系數(shù) (NTC)，在較低的 VGS 下占據(jù)了 RDS 的主導(dǎo)地位。相反，RJ 和 RDRIFT 具有正溫度系數(shù) (PTC)，在較高的 VGS 水平上占主導(dǎo)地位。對于 VGS > 18 V，導(dǎo)通電阻具有明顯的 PTC 特性。然而，在較低的 VGS 下，導(dǎo)通電阻與結(jié)溫特性呈現(xiàn)拋物線形狀，如圖 2 所示。具體而言，在 VGS = 14 V 時，RCH 占主導(dǎo)地位，RDS 呈現(xiàn)出 NTC 特性，即電阻隨溫度升高而降低。這種 SiC MOSFET 的特性直接歸因于其低 gm。對于硅 MOSFET，只要 VGS > VTH，RDS 始終具有 PTC 特性。

圖 2.SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻與結(jié)溫

對于大多數(shù)大電流應(yīng)用案例，當(dāng)兩個或更多 MOSFET 并聯(lián)放置時，PTC 屬性在很大程度上依賴于均流。在并聯(lián)運行期間，當(dāng)一個 MOSFET 的結(jié)溫升高時，PTC 會導(dǎo)致 RDS 增加、電流降低并迫使并聯(lián) MOSFET 承受額外的電流，直到出現(xiàn)自然平衡。如果兩個或多個 SiC MOSFET 并聯(lián)放置，同時以低 VGS（負(fù) NTC）電壓工作，結(jié)果將是災(zāi)難性的。因此，為確?？煽康?NTC 操作，只有當(dāng) VGS 足夠高（通常 VGS > 18 V）時才建議使用 SiC MOSFET 之間的并聯(lián)操作。

3、內(nèi)部柵極電阻

內(nèi)部柵極電阻 RGI 與芯片尺寸成反比，對于給定的擊穿電壓，由于 SiC MOSFET 芯片與硅 MOSFET 芯片相比小得多，內(nèi)部柵極電阻往往更高。更小的 SiC MOSFET 芯片的真正好處在于更低的輸入電容 CISS，這意味著所需的柵極電荷 QG 更低。表 2 重點介紹了兩個不同制造商的 SiC MOSFET（SiC_1 和 SiC_2）和兩個出色的 900-V 和 650-V 超級結(jié) Si MOSFET（Si_1 和 Si_2）之間的幾個重要參數(shù)比較。

表 2. 半導(dǎo)體材料屬性

從柵極驅(qū)動的角度來看，比較 RGIxCISS 時間常數(shù)是很有意義的。Si_2 器件具有極低的 35 ns 時間常數(shù)，但也是一個額定電流較低、額定電壓較低的 MOSFET。出于比較目的，650-V、Si_2 MOSFET 很值得關(guān)注，因為 1200-V、SiC_1 樣品的參數(shù)與之非常接近，但具有明顯較低的 CISS 和幾乎兩倍的額定 BVDSS。在 BVDSS 方面，Si_1 樣品與兩個 SiC 樣品之間更為接近。由于 SiC_1 的 QG 較低，因此 Si_1 和 SiC_1 之間的時間常數(shù)非常接近，即使 SiC_1 的內(nèi)部柵極電阻是 Si_1 的 7 倍。

內(nèi)部柵極電阻限制了可以注入 CISS 的柵極驅(qū)動電流。高性能 SiC 柵極驅(qū)動電路需要提供極低的輸出阻抗，這樣驅(qū)動器就不會因為已經(jīng)很高的 RGI 而成為限制因素。這使得設(shè)計人員可以通過增加或減少外部柵極電阻來更加自由地控制 VDS 和 dV/dt 的轉(zhuǎn)換。

4、柵極電荷

當(dāng)施加 VGS 時，會傳輸一定量的電荷，以盡可能快地改變在 VGS(MIN) (VEE) 和 VGS(MAX) (VDD) 之間變化的柵極電壓。由于 MOSFET 內(nèi)部電容是非線性的，因此 VGS 與柵極電荷 (QG) 曲線有助于確定對于給定的 VGS 水平需要傳遞多少電荷。SiC MOSFET 的典型柵極電荷曲線如圖 3 所示。

圖 3.SiC MOSFET，柵極-源極電壓與柵極電荷

有趣的是，SiC MOSFET 的米勒平臺區(qū)域出現(xiàn)在更高的 VGS，并且不像硅 MOSFET 那樣平坦。一個非平坦的米勒平臺區(qū)域意味著 VGS 在相應(yīng)的電荷范圍 QG內(nèi)不是恒定的。這是與 SiC MOSFET 相關(guān)的低 gm 引起的另一個結(jié)果。還值得注意的是，QG = 0 nC 并不出現(xiàn)在 VGS = 0 V 時。VGS 必須將電壓拉低至負(fù)電壓（在本例中為 -5 V）才能使 SiC MOSFET 的柵極完全放電。在關(guān)斷期間將柵極切換為負(fù)極的第二個原因是最壞情況下的 VTH 可以低至 1 V。在 0V < VGS < VDD 之間切換 VGS 且 Vth ~ 1 V 的情況下，可以避免因意外的的柵極噪聲或 VDS 導(dǎo)致不慎導(dǎo)通，即 dV/dt 造成的導(dǎo)通。因此，幾乎所有 SiC MOSFET 都需要最低 VGS 處于 -5 V < VGS(min) < -2 V 的范圍，但一些制造商規(guī)定最小為 -10 V。

5、DESAT 保護

DESAT 保護是一種過流檢測，起源于驅(qū)動 IGBT 的電路。在導(dǎo)通期間，如果 IGBT 不能再保持飽和狀態(tài)（“去飽和”），集電極-發(fā)射極電壓將開始上升，同時全集電極電流流過。顯然，這會對效率產(chǎn)生負(fù)面影響，或者在最壞的情況下，可能導(dǎo)致 IGBT 故障。造成這種情況的可能原因可能包括：由于 β 公差、溫度影響、短路或過載導(dǎo)致的基極電流不足。所謂的“DESAT”功能的目的是監(jiān)測 IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓，并檢測何時存在這種潛在的破壞性條件。

盡管故障機制略有不同，但在最大 ID 流過時，SiC MOSFET 可能會遭受 VDS 上升的類似情況。如果導(dǎo)通過程中的最大 VGS 過低、柵極驅(qū)動導(dǎo)通過慢或存在短路或過載條件，則可能會出現(xiàn)這種不良情況。在最大 ID 存在的情況下，RDS 可能會增加，導(dǎo)致 VDS 意外但緩慢上升。

由于 SiC MOSFET 不在明確定義的飽和區(qū)工作，因此它永遠(yuǎn)不會作為恒流源出現(xiàn)。而因為大多數(shù)過流保護方案都依賴于 MOSFET 在過流條件下模擬非理想的恒流源，這種情況下可能就會有問題。當(dāng) SiC MOSFET 經(jīng)歷去飽和事件時，VDS 響應(yīng)非常緩慢，而最大漏極電流繼續(xù)流過不斷增加的導(dǎo)通電阻。因此，在漏極-源極電壓可以響應(yīng)之前，漏極電流可能達(dá)到最大額定脈沖電流的 10-20 倍（在高 RDS 期間）。對于高頻電源轉(zhuǎn)換器，在識別出飽和故障之前，可能會發(fā)生許多開關(guān)周期。因此，DESAT 是一項重要且必要的保護功能，除了作為電源控制的過流保護之外，還應(yīng)將其指定為柵極驅(qū)動電路的一部分。

SiC MOSFET 動態(tài)開關(guān)

1、導(dǎo)通

SiC MOSFET 的開關(guān)曲線與 Si MOSFET 非常相似，主要區(qū)別在于導(dǎo)通期間的 20 V 柵極驅(qū)動幅度以及關(guān)斷期間柵極必須拉至地以下。導(dǎo)通轉(zhuǎn)換需要一個大的峰值源電流，能夠盡快為 SiC 內(nèi)部柵極電容充電，以最大限度地減少開關(guān)損耗。根據(jù)估計，整個導(dǎo)通事件應(yīng)在 ΔVGS = 30 V 和 CISS = CGS + CGD = 1000 pF（估計值）的情況下在 Δt < 10 ns 內(nèi)完成，根據(jù)公式 (5)，這將產(chǎn)生所需的峰值電流 IG(SRC)=3 A：                   

SiC MOSFET 的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換由四個不同的時間間隔定義，如圖 5 所示。圖 5 和圖 7 中顯示的時間間隔代表了理想箝位電感開關(guān)應(yīng)用的預(yù)期時間，這是開關(guān)電源中使用的典型工作模式。

圖 4.SiC MOSFET 源極電流

圖 5.SiC MOSFET 導(dǎo)通順序

t0→t1：VGS 從 VEE 逐漸上升到 Vth，因為柵極驅(qū)動電路必須提供大量瞬時柵極電流 IG(SRC)，主要從柵極驅(qū)動器大容量電容 CVDD 中存儲的電荷中供應(yīng)。這個時間間隔通常被稱為“導(dǎo)通延遲”，因為當(dāng) VGS 低于 VTH 時，ID 和 VDS 不受影響。大部分柵極電流用于為 CGS 和 CGD 充電。請注意圖 4 中的原理圖，源極電流通過三個電阻器流過：RHI、RGATE 和 RGI。其中，RHI 是驅(qū)動器源極的等效內(nèi)部電阻，RGATE 是電路板上電阻阻抗加上任何附加的阻尼電阻，而 RGI 是 SiC MOSFET 內(nèi)部的柵極電阻。RHI 和 RGATE 的阻值大約為幾歐姆，但對于 SiC MOSFET，RGI 可能達(dá)到數(shù)十歐姆的數(shù)量級，比高壓 Si MOSFET 高一個數(shù)量級。由于這三個電阻器與 SiC 內(nèi)部柵極電容形成 RC 時間常數(shù)，因此需要提供足夠的峰值柵極電流以確保柵極驅(qū)動信號的快速上升沿。

t1→t2：當(dāng) VGS 從 VTH 上升到米勒平臺區(qū)域時，由于 RDS 通道電阻在低 VGS 時沒有完全增強，因此 ID 通過 RJ + RDRIFT 開始增加。由于 SiC 本征體二極管尚未處于阻斷狀態(tài)且 RDS 的高電阻狀態(tài)，因此 VDS 保持在最大水平。建議不要在 VGS < 13 V 的情況下操作 SiC MOSFET，因為在低 VGS 時 RDS 很高，存在熱失控的風(fēng)險。因此，至關(guān)重要的是柵極驅(qū)動電路能夠盡快地從 VTH 過渡到 VGS > 13V。在 Vth < VGS < 13 V 的時間應(yīng)該盡量少于幾納秒，以最小化 ID2xRDS 動態(tài)功率損耗。

t2→t3：VGS 處于米勒平臺區(qū)域，對于 SiC MOSFET，該平臺區(qū)域發(fā)生在 8 V 左右。在此期間，滿載電流流過 RDS 并且本征體二極管不再處于阻斷狀態(tài)，從而使漏極電壓下降。通道電阻繼續(xù)下降，但 RDS 仍然由 RCH 主導(dǎo)。盡管滿載電流流過 MOSFET 漏極，RDS 在這個 VGS 低點仍然很高。因此，當(dāng)務(wù)之急是 VGS 盡快通過該區(qū)域過渡。由于這個過渡的速度由 IG 驅(qū)動，所以在米勒平坦區(qū)域 (~ 1/2 VDD) 的峰值驅(qū)動電流能力比任何柵極驅(qū)動器 IC 數(shù)據(jù)表中顯示的峰值額定值更為重要。

t3→t4：在米勒平坦區(qū)域的末端附近的 VGS(MP) 處，VDS 下降到高于零點的 ID x RDS。當(dāng) VGS 從 ~8 V < VGS < 20 V 過渡時，通道電阻 RCH 繼續(xù)下降，現(xiàn)在 RJ + RDRIFT 對 RCH 占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致 VDS 成比例地下降。大多數(shù) SiC MOSFET 在 VGS > 16 V 時變得完全增強，但最低 RDS 值最終由 VGS 的最大值確定。剩余的柵極電流 IG 被分割來為 CGD 和 CGS 完全充電。

2、關(guān)斷

SiC MOSFET 的關(guān)斷過程基本上與前面描述的導(dǎo)通順序相反。柵極驅(qū)動電路的作用是灌入大量的峰值電流，能夠?qū)?SiC MOSFET 的 CGD 和 CGS 電容盡快放電。此外，關(guān)斷期間的柵極驅(qū)動器阻抗必須盡可能低，以將 MOSFET 柵極保持在低電平。而由于SiC MOSFET的低VTH電壓，這可能會特別麻煩。這不僅需要將 SiC 柵極拉至地以下，而且與額定源電流相比，柵極驅(qū)動器的灌電流能力也必須明顯更高。柵極驅(qū)動電流 IG(SINK) 的流動如圖 6 所示。

圖 6.SiC MOSFET 灌電流

圖 7.SiC MOSFET 關(guān)斷順序

t0→t1：VGS 從 VDD 下降到米勒平坦區(qū)域 VGS(MP)。灌電流 IG(SINK) 主要由存儲在 CGD 和 CGS 中的電荷提供，而柵極驅(qū)動器的大容量電容 CVDD 則由 VDD 重新充電。漏極電流 ID 保持不變。隨著 VGS 降低，通道電阻增加，導(dǎo)致 VDS 略微增加 IDxRDS 。除了可能在 t0→t1 時間末期附近可能會略微增加，VDS 的邊際增加幾乎不會被注意到。

t1→t2：在此時間間隔內(nèi)，柵極電流的提供主要由 CGD 主導(dǎo)，因為 CGS 電容看到的幾乎是恒定的 VGS。在米勒平臺區(qū)域上，VDS 從 ID x RDS 增加到被SiC 本征體二極管鉗位的 VDS 軌電壓。漏極電流 ID 與前一個時間間隔相比保持不變。由于由于 VGS <1 3 V 和 VDS x ID 同時出現(xiàn)在 MOSFET 上，導(dǎo)致 RDS 增加，因此在此時間間隔內(nèi)，柵極驅(qū)動電路的額定值應(yīng)足以承受大量電流灌入。在關(guān)斷期間，這是設(shè)計人員需要注意的柵極驅(qū)動電流部分，因為必須盡快過渡通過米勒平臺區(qū)域。

t2→t3：隨著 VGS 從米勒平坦區(qū)域向 VTH 繼續(xù)降低，在此間隔期間 ID 逐漸下降至接近于零。此時，VDS 被 SiC 本征體二極管完全鉗位到漏極電壓軌，這意味著 CGD 電容器已充滿電荷。因此，現(xiàn)在大部分灌電流通過 CGS 流過。

t3→t4：ID 和 VDS 保持不變。在最后的關(guān)斷間隔期間，只有當(dāng) VGS 降至 0V 以下時，SiC 內(nèi)部輸入電容器才能完全放電。由于 VTH 僅約為 1V，為了完全放電 CISS，VGS 必須以負(fù)電壓完成關(guān)斷序列。重要的是，柵極驅(qū)動電路必須提供盡可能低的阻抗。對于高壓半橋電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尤其如此，當(dāng)高邊 MOSFET 導(dǎo)通時，中點被高 dV/dt 上拉。低阻抗下拉對于防止 dV/dt 引起的意外導(dǎo)通至關(guān)重要。

總之，SiC MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)狀態(tài)涉及四個不同的時間間隔。圖 5 和圖 7 所示的動態(tài)開關(guān)波形代表了理想的操作條件。實際上，引線和鍵合線電感、寄生電容和 PCB 布局等封裝寄生參數(shù)會對測量波形產(chǎn)生很大影響。在開關(guān)電源應(yīng)用中使用 SiC MOSFET 時，正確的元件選擇、PCB 布局優(yōu)化以及精心設(shè)計的柵極驅(qū)動電路都是優(yōu)化性能的關(guān)鍵。