SiC-MOSFET特征及與Si-MOSFET、IGBT的區(qū)別
發(fā)布時間：
2022-07-28 17:56
來源：
半導(dǎo)體在線
功率轉(zhuǎn)換電路中的晶體管的作用非常重要，為進(jìn)一步實現(xiàn)低損耗與應(yīng)用尺寸小型化，一直在進(jìn)行各種改良
SiC-MOSFET的特征
SiC-SBD的章節(jié)中也使用了類似的圖介紹了耐壓覆蓋范圍。本圖也同樣
，通過與Si功率元器件的比較，來表示SiC-MOSFET的耐壓范圍。目前SiC-MOSFET有用的范圍是耐壓600V以上
下表是600V～2000V耐壓的功率元器件的特征匯總
。
雷達(dá)圖的RonA為單位面積的導(dǎo)通電阻(表示傳導(dǎo)時損耗的參數(shù))
，BV為元器件耐壓，Err為恢復(fù)損耗，Eoff為關(guān)斷開關(guān)的損耗。SiC已經(jīng)很完美，在目前情況的比較中絕非高估。下一篇將結(jié)合與SJ-MOSFET和IGBT的比較
，更詳細(xì)地介紹SiC-MOSFET的特征。功率晶體管的結(jié)構(gòu)與特征比較
繼前篇內(nèi)容
，繼續(xù)進(jìn)行各功率晶體管的比較。本篇比較結(jié)構(gòu)和特征。功率晶體管的結(jié)構(gòu)與特征比較
下圖是各功率晶體管的結(jié)構(gòu)
、耐壓、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度的比較。
使用的工藝技術(shù)不同結(jié)構(gòu)也不同
，因而電氣特征也不同。補(bǔ)充說明一下，DMOS是平面型的MOSFET，是常見的結(jié)構(gòu)。Si的功率MOSFET，因其高耐壓且可降低導(dǎo)通電阻，近年來超級結(jié)(Super Junction)結(jié)構(gòu)的MOSFET(以下簡稱“SJ-MOSFET”)應(yīng)用越來越廣泛。關(guān)于SiC-MOSFET，這里給出了DMOS結(jié)構(gòu)在特征方面
這張圖是各晶體管標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)通電阻和耐壓圖表
從下一篇開始，將單獨(dú)介紹與SiC-MOSFET的比較
SiC-MOSFET-與Si-MOSFET的區(qū)別
從本文開始
本文將介紹與Si-MOSFET的區(qū)別
與Si-MOSFET的區(qū)別：驅(qū)動電壓
SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比
，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅(qū)動電壓即柵極-源極間電壓Vgs越高導(dǎo)通電阻越低的特性。下圖表示SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻與Vgs的關(guān)系。
導(dǎo)通電阻從Vgs為20V左右開始變化(下降)逐漸減少
，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅(qū)動電壓為Vgs=10～15V與Si-MOSFET的區(qū)別：內(nèi)部柵極電阻
SiC-MOSFET元件本身(芯片)的內(nèi)部柵極電阻Rg依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸
這不僅局限于SiC-MOSFET，MOSFET的開關(guān)時間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內(nèi)部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值
但是，外置柵極電阻還承擔(dān)著對抗施加于柵極的浪涌的任務(wù)
與IGBT的區(qū)別
上一章針對與Si-MOSFET的區(qū)別，介紹了關(guān)于SiC-MOSFET驅(qū)動方法的兩個關(guān)鍵要點(diǎn)
與IGBT的區(qū)別：Vd-Id特性
Vd-Id特性是晶體管最基本的特性之一。下面是25℃和150℃時的Vd-Id特性
請看25℃時的特性圖表
IGBT的低Vd(或低Id)范圍(在本例中是Vd到1V左右的范圍)
相比之下，SiC MOSFET可在更寬的范圍內(nèi)保持低導(dǎo)通電阻
此外
與IGBT的區(qū)別：關(guān)斷損耗特性
前面多次提到過
眾所周知
比較開關(guān)OFF時的波形可以看到，SiC-MOSFET原理上不流過尾電流
，因此相應(yīng)的開關(guān)損耗非常小。在本例中，SiC-MOSFET+SBD(肖特基勢壘二極管)的組合與IGBT+FRD(快速恢復(fù)二極管)的關(guān)斷損耗Eoff相比，降低了88%還有重要的一點(diǎn)是IGBT的尾電流隨溫度升高而增加
與IGBT的區(qū)別：導(dǎo)通損耗特性
接下來看開關(guān)導(dǎo)通時的損耗
IGBT在開關(guān)導(dǎo)通時
總之
另外，這里提供的數(shù)據(jù)是在ROHM試驗環(huán)境下的結(jié)果
體二極管的特性
上一章介紹了與IGBT的區(qū)別
如圖所示，MOSFET(不局限于SiC-MOSFET)在漏極-源極間存在體二極管
SiC-MOSFET體二極管的正向特性
下圖表示SiC-MOSFET的Vds-Id特性。在SiC-MOSFET中
，以源極為基準(zhǔn)向漏極施加負(fù)電壓，體二極管為正向偏置狀態(tài)。該圖中Vgs=0V的綠色曲線基本上表示出體二極管的Vf特性，。Vgs為0V即MOSFET在關(guān)斷狀態(tài)下，沒有通道電流，因此該條件下的Vd-Id特性可以說是體二極管的Vf-If特性。如“何謂碳化硅”中提到的，SiC的帶隙更寬，Vf比Si-MOSFET大得多。而在給柵極-源極間施加18V電壓
、SiC-MOSFET導(dǎo)通的條件下，電阻更小的通道部分(而非體二極管部分)流過的電流占支配低位。為方便從結(jié)構(gòu)角度理解各種狀態(tài)，下面還給出了MOSFET的截面圖。
SiC-MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性
MOSFET體二極管的另一個重要特性是反向恢復(fù)時間(trr)
。trr是二極管開關(guān)特性相關(guān)的重要參數(shù)這一點(diǎn)在SiC肖特基勢壘二極管一文中也已說明過。不言而喻，MOSFET的體二極管是具有pn結(jié)的二極管，因而存在反向恢復(fù)現(xiàn)象，其特性表現(xiàn)為反向恢復(fù)時間(trr)。下面是1000V耐壓的Si-MOSFET和SiC-MOSFET SCT2080KE的trr特性比較。
如圖所示
，示例的Si-MOSFET的trr較慢，流過較大的IrrSiC-MOSFET的應(yīng)用實例
本章將介紹部分SiC-MOSFET的應(yīng)用實例
SiC-MOSFET應(yīng)用實例1：移相DC/DC轉(zhuǎn)換器
下面是演示機(jī)
，是與功率Power Assist Technology Ltd.聯(lián)合制作的。
全橋式逆變器部分使用了3種晶體管(Si IGBT
、第二代SiC-MOSFET、上一章介紹的第三代溝槽結(jié)構(gòu)SiC-MOSFET)，組成相同尺寸的移相DCDC轉(zhuǎn)換器，就是用來比較各產(chǎn)品效率的演示機(jī)。
首先，在SiC-MOSFET的組成中
，發(fā)揮了開關(guān)性能的優(yōu)勢實現(xiàn)了Si IGBT很難實現(xiàn)的100kHz高頻工作和功率提升。另外，第二代(2G)SiC-MOSFET中，由2個晶體管并聯(lián)組成了1個開關(guān)，但由于第三代(3G)SiC-MOSFET導(dǎo)通電阻更低，晶體管數(shù)得以從8個減少到4個。關(guān)于效率，采用第三代(3G)SiC-MOSFET時的結(jié)果最理想，無論哪種SiC-MOSFET的效率均超過Si IGBT。SiC-MOSFET應(yīng)用實例2：脈沖電源
脈沖電源是在短時間內(nèi)瞬時供電的系統(tǒng)
，應(yīng)用例有氣體激光器、加速器、X射線、等離子電源等。作為現(xiàn)有的解決方案有晶閘管等真空管和Si開關(guān)，但市場需要更高耐壓更高速的開關(guān)。針對這種市場需求，利用SiC的高耐壓和高速性能，實現(xiàn)了超高電壓高速開關(guān)。從高速性的角度看這是Si IGBT很難實現(xiàn)的。下例是與福島SiC應(yīng)用技研株式會社、株式會社京都New-Tronics、國立研究開發(fā)法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)合作開發(fā)，在CEATEC 2014、TECHNO-FRONTIER2015展出的產(chǎn)品
?超高壓脈沖電源
特征
?超高耐壓偽N通道
SiC MOSFET
?低導(dǎo)通電阻
(以往產(chǎn)品的1/100以下)
?高重復(fù)頻率
應(yīng)用例
?荷電粒子加速器
?醫(yī)療用設(shè)備電源
?等離子發(fā)生器等
?1～10kV隨機(jī)脈沖發(fā)生器：13.2kV SiC開關(guān)
來源：techclass.rohm
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