摘要@@
高频开关等宽带隙@@半导体是实现更高功率转换效率的助力@@。SiC FET就是一个例子@@，它由一个@@SiC JFET和@@一个硅@@@@MOSFET以共源共栅@@方式构成@@。
正文@@
在@@功率电子@@器件领域@@，工程师们梦想有一种完美的半导体开关@@，它没有导电@@损耗@@和@@开关损耗@@@@，电压无穷大@@，没有漏电且易于驱动@@。不幸的是@@，物理学告诉我们@@，它仅仅存在@@于梦想中@@，但是@@采用@@最新@@SiC FET宽带隙@@半导体的开关已经非常接近这一理想开关@@，这种半导体开创了新的应用领域@@，提升了旧开关的效率@@，还有助于节省能量和@@成本@@。
发展历程@@
在@@70年代晚期和@@@@80年代早期@@，MOSFET问世了@@，其额定值适合低功率转换器@@，但是@@MOSFET技术@@和@@@@BJT技术@@结合构成的@@IGBT带来了突破@@，它易于驱动@@，具有高额定电压@@，而@@且甚至@@在@@大电流下也具有低导电@@损耗@@@@。该器件变成了大功率应用下的首选解决方案@@，而@@且在@@今天的逆变器和@@电动机领域仍具有非常大的市场@@。不过@@，它们距离完美开关仍有很大距离@@，这主要是由开关损耗@@造成的@@，尤其是@@“尾@@”电流造成的开关损耗@@@@，它将工作频率限制为最高数十@@ kHz，从@@而@@导致相关磁性@@188足彩外围@@app 体积大@@、重量大@@、损耗@@高且价格昂贵@@。
与@@此同时@@，硅@@MOSFET有改进过的最新@@“超结@@”类型@@，导通电阻足够低@@，能与@@@@IGBT相媲美@@，迈入@@kW级电平@@范围@@，且具有工作频率可以非常高的优势以及所有相关优点@@。不过@@，在@@较高功率下@@，由于@@“平方@@”效果@@，较大的电流仍将在@@导通电阻内产生不可接受的@@I2R损耗@@，而@@且因为即@@使在@@低功率下也需要比以往更高的效率@@，所以@@设计师们现在@@把改进期望寄托在@@硅@@的替代产品上@@。宽带隙@@（WBG）材料碳化硅@@@@（SiC）和@@氮化镓正好合适@@，它们的单位晶粒面积导通电阻较低@@，电饱和@@速度更好@@。它们还具有其他优点@@，如@@每毫米的临界击穿电压较高@@、能实现较小@@的芯片体积并进而@@实现较低的电容以及可能较高的开关速度@@。SiC的导热系数比硅@@或@@@@GaN好得多@@，它不仅额定结温较高@@，还能让给定晶粒和@@封装具有更好的功率耗散能力@@（图@@1）。
图@@1：Si、SiC和@@GaN的材料特性@@
宽带隙@@器件的挑战@@
不过@@，作为宽带隙@@产品中的佼佼者@@，SiC MOSFET仍然面临着挑战@@，因为它固有的晶格缺陷数量要超过硅@@@@，所以@@会造成较低的电子@@迁移率和@@较高的导通电阻@@。栅极阈值电压也表现出了明显的不稳定@@性和@@迟滞现象@@，而@@且在@@短路和@@过压等应力事件后栅氧化层@@会降级@@。它还会出现意外问题@@，并伴随@@“基面错位@@”或@@大块晶格缺陷@@，这种错位或@@缺陷可能在@@特定条件下扩大或@@迁移@@，进而@@导致导通电阻和@@漏电电流上升@@。制程改进显著改善了这一情况@@，不过@@，制造商仍需要在@@制程中进行大量缺陷筛查@@，才能将场故障率维持在@@低水平@@，但是@@每个晶粒仍会受到一定影响@@。SiC MOSFET还需满足特定的栅极@@驱动要求才能实现最低的导通电阻@@，栅极电压也必须接近最大绝对值才能具有防止瞬态过电压的重要能力@@。
替换方案@@SiC FET
虽然许多制造商坚持采用@@SiC MOSFET，但是@@采用@@SiC JFET也是一个可以考虑的方法@@，它没有许多@@MOSFET会有的问题@@。不过@@，JFET是常开型器件@@，在@@实际电路中并不受欢迎@@，因而@@@@“共源共栅@@”概念广为人们所接受@@，它将高压@@SiC JFET和@@一起封装的低压硅@@@@MOSFET相结合@@，构成了所谓的@@“SiC FET”（图@@2）。该器件为常关状态@@，具有宽带隙@@器件的全部优势@@，又容易用非临界栅极驱动来驱动@@Si-MOSFET，后者为低压型器件@@，具有非常可靠的栅氧化层@@和@@低导通电阻@@。
图@@2：SiC FET示意图@@@@
与@@SiC MOSFET相比@@，SiC FET具有许多电气优势和@@实用优势@@。例如@@@@，SiC JFET固有的沟道电子@@迁移率要好得多@@@@。沟道也较短@@，因此@@对于给定晶粒面积@@，SiC FET的导通电阻是@@SiC MOSFET的二分之一到四分之一@@，或@@者说@@，在@@获得相同导通电阻的前提下@@，每个晶圆最多可以得到四倍@@于@@SiC MOSFET的晶粒@@。与@@硅@@超结@@@@MOSFET相比@@，该数字最高可达到@@13倍@@，且更高的性能有助于抵消@@SiC比硅@@高的物料成本@@。要进行有意义的比较@@，导通电阻与@@晶粒面积的乘积@@RDS*A是一个有用的指标@@。因为与@@@@SiC MOSFET相比@@，在@@相同导电@@损耗@@下@@，SiC FET器件的晶粒@@较小@@@@，所以@@SiC FET的器件电容较低@@，因而@@@@开关损耗@@也较低@@，以导通电阻乘以开关能量这一性能表征表示@@，即@@RDS*EOSS。
SiC FET的栅极@@就是共源共栅@@的@@Si MOSFET。它的阈值约为@@@@5V，稳定@@，无迟滞@@，因而@@@@用@@12V或@@15V电压就可轻松驱动至@@完全增强@@，它还兼容@@IGBT和@@Si MOSFET电平@@，且距离最大绝对值@@（通常为@@25V）有很大的裕度@@。由于@@器件尺寸小@@且@@Si MOSFET有隔离效果@@@@，可以不使用米勒电容@@，从@@而@@提高@@效率@@，因此@@开关速度非常快且损耗@@低@@，而@@SiC JFET的低输出电容也促进了这一特点@@。在@@实际应用中@@，通常会有意将边缘放缓@@，以控制电磁干扰和@@电压过冲@@，这可以通过增加栅极电阻实现@@，通过小@@缓冲电路也能实现@@，且更有效@@。
反向或@@@@“第三象限@@”导电@@
是否能有效反向导电@@通常是功率开关的一个关键考虑事项@@。IGBT不能@@，所以@@需要一个并联二极管@@，而@@Si和@@SiC MOSFET有体二极管@@。SiC MOSFET中的二极管有可观的反向恢复能量@@，因而@@@@会耗散部分功率@@，且其正向压降高@@，约为@@4V。GaN HEMT单元可反向导电@@而@@无反向恢复@@，但是@@压降高@@，且压降与@@栅极关态电压和@@沟道电阻相关@@，从@@而@@导致压降达到数伏@@。相反@@，SiC FET的体二极管具有低压共源共栅@@@@Si MOSFET的特征@@，因此@@正向压降约为@@@@1.5V，反向恢复能量非常低@@，大约是@@SiC MOSFET的三分之一@@。SiC FET的较高性能有力地开拓了@@Si MOSFET所无法进入的应用领域@@，如@@“图@@腾柱@@”功率因数校正级中的快速开关@@。图@@3显示了@@SiC FET和@@超结@@@@MOSFET的反向恢复特征@@，并与@@同一电压级别的器件进行了对比@@。
图@@3：SiC FET共源共栅@@结构的反向恢复电荷比硅@@@@SJ MOSFET小@@100倍@@左右@@
SiC FET十分可靠@@
工程师需要对器件可靠性有信心@@，这是十分自然的事@@，而@@SiC现在@@可以视为一种成熟技术@@@@，在@@现场和@@实验中都具有很好的可靠性数据@@。SiC FET不具有已知会导致降级问题的@@SiC栅氧化层@@，这是它的另一个优点@@。共源共栅@@结构的栅极@@是可靠的低压@@Si MOSFET的栅极@@，具有高阈值电压和@@厚氧化层@@，而@@内置稳压钳位又提供@@了进一步保护@@。与@@GaN单元不同@@@@，SiC FET具有雪崩额定值和@@固有的抗短路能力@@，它还有沟道@@“夹断@@”效应@@，而@@且与@@@@MOSFET和@@IGBT不同@@，该效应@@极为一致@@，不受栅极电压影响@@。由于@@沟道电阻温度系数为正@@，SiC FET短路电流会随时间减小@@@@，而@@且会在@@晶粒单元中均匀分布@@，因而@@@@更加稳定@@@@。
最近推出的@@SiC FET器件采用银烧结晶粒粘接方法@@，与@@焊料相比@@@@，该方法能将连接处的导热系数提高@@六倍@@@@，减少结温升高幅度并保持高可靠性@@。
SiC FET的最新发展@@
自诞生后@@，SiC FET已经发展出了第四代产品@@。额定电压已经有所提高@@@@，导通电阻则降低至@@一定范围@@，使得基片成为目前的限制因素@@，而@@且目前应用@@“晶圆减薄@@”法来提高@@收益@@。产品的动态性能也得以改进@@，因而@@@@部件可以在@@硬开关拓扑中高效应@@用@@，也可以在@@软开关操作中在@@非常高的频率下应用@@，如@@在@@@@LLC或@@相移全桥电路中@@。
SiC FET的安装选项也增加了@@，从@@TO-247和@@TO-220封装中的并排安装发展到@@“堆叠式@@”晶粒结构@@。还利用@@“开尔文@@”源极连接引入了有引脚的部件@@，以避免栅极驱动回路中的常见电感问题@@。最近推出的@@无引脚@@DFN8x8封装可实现极低的连接电感和@@@@MHz频率的开关@@。
SiC FET的吸引力@@
最新一代@@SiC FET使得开关向着理想开关又迈进了一步@@，它的损耗@@极低@@，能轻松实施@@，且价格越来越有吸引力@@。这些器件由@@UnitedSiC提供@@，额定电压从@@@@650V至@@1700V，导通电阻低至@@@@25毫欧@@。UnitedSiC在@@其网@@站上提供@@了免费设计助手@@“FET JET”计算器@@，用它能快速为一系列功率转换拓扑选择任何@@UnitedSiC器件并预测器件性能@@，包括@@PFC级和@@隔离@@/非隔离直流转换器拓扑@@。
文章来源@@：UnitedSiC