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作者：Microchip Kevin Dykyj 碳化硅（SiC）MOSFET 技術(shù)的誕生標志著電力電子領(lǐng)域取得重大進步，可助力設計更為高效、緊湊和可靠的系統(tǒng)。SiC MOSFET 取代了傳統(tǒng)的硅器件，在提高開關(guān)頻率的同時降低了開關(guān)損耗和導通損耗。 挑選最佳解決方案：碳化硅 MOSFET 相較于 IGBT 的優(yōu)勢 碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）技術(shù)的誕生標志著電力電子領(lǐng)域取得重大進步，可助力設計更為高效、緊湊和可靠的系統(tǒng)。SiC MOSFET 取代了傳統(tǒng)的硅器件，在提 高開關(guān)頻率的同時降低了開關(guān)損耗和導通損耗。這些優(yōu)勢有助于減小元件尺寸和減少元件數(shù)量，從而為整個系統(tǒng)減小尺寸、減輕重量和降低成本。SiC MOSFET 可助力實現(xiàn)高效、靈活且可靠的高電壓應用。 
SiC MOSFET 支持更高的工作溫度，更快的開關(guān)速度和更高的擊穿電壓，可助力打造更高效、更緊湊的電力電子系統(tǒng)。此外，SiC MOSFET 還具有更低的導通電阻，有助于降低工作期間的功率損耗。得益于穩(wěn)健性和對熱失控免疫能力的提升，SiC 更適合大功率應用。我們的 mSiC™ MOSFET 涵蓋700V、1200V、1700V 和 3300V（3.3 kV）SiC MOSFET。 綜上所述，SiC 與硅相比具有以下優(yōu)勢： • 工作溫度更高 • 擊穿電壓更高 • 導通電阻更低 • 開關(guān)速度更快 • 穩(wěn)健性更高
mSiC MOSFET 的結(jié)構(gòu) 在 SiC MOSFET 中，源極電極、漏極電極和柵極電極由SiC 漂移層（充當半導體）隔開。向柵極電極施加電壓時，將形成電場來控制源極電極與漏極電極之間的電流流動。
柵極氧化層穩(wěn)定性 第三方測試結(jié)果表明，在負柵極和正柵極偏壓下施加長達 1000 小時的加速應力后，mSiCMOSFET 中的閾值電壓幾乎沒有變化。這些數(shù)據(jù)是基于生產(chǎn)級 1200V、40 mΩ 器件統(tǒng)計得出。如果閾值電壓發(fā)生變化，器件性能（如導通電阻）也將發(fā)生明顯變化，并且隨著時間的推移，這可能會導致系統(tǒng)行為不穩(wěn)定并引發(fā)系統(tǒng)故障。鑒于閾值電壓如此穩(wěn)定，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)勢必能夠在設計的使用壽命內(nèi)（甚至超出使用壽命）正常、可靠地運行。 除了單觸發(fā)非鉗位感性開關(guān)（UIS）測試之外，還需要進行重復 UIS（RUIS）測試來驗證氧化層強度；我們會先進行 10 萬次 RUIS 測試，然后進行經(jīng)時介電層擊穿（TDDB）測試。 通過在正柵極和負柵極下施加 1000 小時加速高溫柵極偏壓（HTGB）應力并對比前后的電壓閾值（Vth）測量結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)閾值電壓幾乎沒有變化。如果閾值電壓發(fā)生變化，則會發(fā)現(xiàn)器件性能（如導通電阻）也發(fā)生明顯變化，這可能導致系統(tǒng)行為不穩(wěn)定，最終引發(fā)系統(tǒng)故障。
柵極氧化層使用壽命 柵極氧化層的使用壽命決定著器件能夠承受的最大工作電壓。柵極氧化層是將柵極電極與半導體基板隔開的絕緣層。向柵極電極施加高電壓時，可能會擊穿柵極氧化層。這會導致流過器件的電流突然增大，進而損壞或毀壞器件。 除了單次 UIS 測試之外，還需要進行 RUIS 測試來驗證氧化層強度。我們會先進行 10 萬次 RUIS 測試，然后進行 TDDB 測試。 通過使用生產(chǎn)級 mSiC MOSFET、加速氧化層失效、高溫和高電場，我們觀察到不同失效模式呈威布爾分布。我們可以計算每種失效模式的活化能，然后預測氧化層的壽命。基于測試，我們發(fā)現(xiàn)在建議的 20V VGS條件下，氧化層的使用壽命長達 100 年以上——即使在 175°C 的高溫環(huán)境下也能達到。 柵極氧化層的完整性至關(guān)重要，可確保其在整個使用壽命內(nèi)可靠地發(fā)揮作用。此外，氧化層的強度還能在耐受電氣瞬變方面發(fā)揮作用。
數(shù)據(jù)來自生產(chǎn)級 1200V、40 mΩ SiCMOSFET 內(nèi)部二極管穩(wěn)定性 SiC MOSFET 自帶內(nèi)部二極管，用于反向傳導電流。當 SiC MOSFET 關(guān)斷時，內(nèi)部二極管將傳導電流以防止電壓升得過高。如果內(nèi)部二極管不穩(wěn)定，則會產(chǎn)生電壓尖峰，進而導致器件損壞或失效。內(nèi)部二極管的穩(wěn)定性可能受溫度、電流和電壓等多個因素的影響。 與 IGBT 不同，SiC MOSFET 可使用自帶的內(nèi)部二極管傳導反向電流。但是，在某些器件中，內(nèi)部二極管的性能會隨著時間的推移而下降，導致內(nèi)部二極管兩端的壓降變大，RDS(on)增加，進而產(chǎn)生更多熱量并可能造成系統(tǒng)失效。 俄亥俄州立大學的研究人員曾對市面上的幾款 SiC MOSFET 產(chǎn)品進行了研究。他們在施加數(shù)小時的恒定正向電流應力后測量了內(nèi)部二極管 I-V 曲線和 MOSFET RDS(on)。其中一家供應商的 內(nèi)部二極管產(chǎn)品在開始施加應力后不久就出現(xiàn)了明顯的性能下降，還有一家供應商的內(nèi)部二極管品由于性能下降幅度過大直接報廢，而 Microchip 的內(nèi)部二極管產(chǎn)品性能則沒有變化。 此外，使用穩(wěn)定的內(nèi)部二極管還可以減少元件數(shù)量（即，無需使用反并聯(lián)二極管或續(xù)流二極管），從而降低成本。我們的測試結(jié)果可以保證讓損耗曲線保持在設計窗口內(nèi)，從而確保在汽車的使用壽命內(nèi)正常發(fā)揮作用。
雪崩/重復 UIS 耐雪崩能力對于 SiC MOSFET 來說非常重要，因為它可以讓器件承受高電壓而不損壞。向SiC MOSFET 施加高電壓時，形成的電場會導致電子脫離原子并造成電子雪崩。這種電子雪崩可能會導致流過器件的電流突然增大，進而損壞或毀壞器件。 耐雪崩能力以雪崩能量來衡量，雪崩能量是指器件在發(fā)生故障之前能夠吸收的能量總量。SiC MOSFET 的雪崩能量通常比硅 MOSFET 高得多，這是 SiC 的固有特性使然。 當負載電流突然大量流入 MOSFET 時，不僅漏源電壓會一直攀升至實際的擊穿值，MOS 溝道也將得不到增強，進而導致雪崩電流聚集在芯片邊緣附近。 我們觀察到四款 MOSFET 中有三款在 RUIS 測試中表現(xiàn)良好。但是，當我們查看 Microchip與其他三家 SiC MOSFET 供應商的 TDDB 測試結(jié)果時，我們發(fā)現(xiàn) mSiC MOSFET 的表現(xiàn)尤為突出。對于每一款產(chǎn)品，我們都是先進行一次 TDDB 測試，接著進行 10 萬脈沖的 UIS 測試，最后再進行一次 TDDB 測試。 只有我們的器件在 RDS(on)和漏源泄漏方面表現(xiàn)出無與倫比的穩(wěn)定性，這表明我們的 mSiCMOSFET 確實具備很強的耐雪崩能力，能夠安全地度過最苛刻的電過應力條件。
抗短路能力 抗短路能力強的器件能夠承受高電流而不會損壞。發(fā)生短路時，流過器件的電流可能會增加到極高的水平，這會導致器件過熱并發(fā)生故障。SiC MOSFET 的抗短路能力比硅 MOSFET 強得多，因此能夠承受更高的電流而不會損壞。這一點對于存在短路風險的應用以及對電流需求較高的應用（如電動車（EV））來說非常重要。 SiC MOSFET 的抗短路能力通過短路電流來衡量，短路電流是指器件在不損壞的情況下可以承受的最大電流。SiC MOSFET 的短路電流通常比硅 MOSFET 的短路電流高得多。這是因為 SiCMOSFET 是由能夠承受更高電流而不會損壞的材料制成。 短路耐受時間是指 MOSFET 能夠在漏極端子與源極端子之間突然短路的直流鏈路中保持有效的時長。發(fā)生短路時，MOS 溝道會得到增強，這意味著過應力浪涌會均勻地分散到整個芯片上。在各種直流電壓和柵極電壓下測試生產(chǎn)級 700V、35 mΩ mSiC MOSFET 時，我們發(fā)現(xiàn)對于350V 直流鏈路，該器件可以在 VGS = 20V 的條件下安全地度過 10 µs 的短路時間。即使是 560V 直流鏈路，700V MOSFET 也能承受 3 µs 的短路時間，這對于等待控制方案進行救援來說綽綽有余。
短路仿真短接直流鏈路上 MOSFET 漏極-源極的應用條件
單元增強（MOSFET 導通）；峰值電流會均勻地分散到整個芯片上 中子敏感性和 FIT 率 SiC 器件的抗輻射損傷能力同樣要比硅器件強，因為 SiC 的電子密度比硅高，這使得輻射更加難以影響原子中的電子。當系統(tǒng)的工作高度為海平面或海平面以上時，性能可能會受到中子的影響而下降甚至失效。測試表明，在額定電壓下，SiC MOSFET 的失效率（FIT）是同類硅 IGBT 的十分之一。 針對多家供應商的 SiC 產(chǎn)品進行的測試也表明，mSiC MOSFET 在抵抗中子輻射方面的表現(xiàn)優(yōu)于 SiC 競品器件。因此，從邏輯上來講，SiC 非常適合電動車充電器、車載充電器和電源等應用（這類應用的最高工作海拔高達 4000m 至 5000m）。
在額定電壓下，SiC MOSFET 的 FIT 率是同類硅IGBT 的十分之一
Microchip SiC MOSFET 在抵抗中子輻射方面的表現(xiàn)優(yōu)于 SiC 競品器件 RDS(on)與結(jié)溫 RDS(on)與結(jié)溫之間的關(guān)系會影響電路的整體性能，因此非常重要。RDS(on)曲線能夠很好地指示耐用性，呈現(xiàn)器件的性能表現(xiàn)。如果 RDS(on)太高，電路將無法按預期工作。 較低的 RDS(on)有助于器件承受高溫和高壓，從而快速高效地進行開關(guān)操作，并且有助于器件承受惡劣的環(huán)境。此外，較低的 RDS(on)還可以提升電路的效率：RDS(on)越低，MOSFET 中的功率損耗越少。
了解 RDS(on)與結(jié)溫之間的關(guān)系之所以非常重要，還有一點是因為這有助于為應用挑選合適的 MOSFET。如果已知 MOSFET所承受的結(jié)溫，便可以選擇能夠承受該溫度且 RDS(on)較低的 MOSFET。這將有助于確保您的電路按預期工作。 如果整個溫度范圍內(nèi)的 RDS(on)曲線更加平坦，則意味著 SiC MOSFET 器件在更大的溫度范圍內(nèi)的導通損耗將具有更高的穩(wěn)定性，這有助于設計人員更嚴格地把控熱管理裕度。 開始使用 SiC 進行設計 開始使用碳化硅（SiC）進行設計之前需要了解其優(yōu)勢和應用。我們提供了一系列碳化硅（SiC）功率產(chǎn)品，這是打造更快速、更高效的能源解決方案的關(guān)鍵所在。我們建議您事先閱讀一下我們的 SiC MOSFET Design Recommendations 和 Driving mSiC MOSFETs 應用筆記。 此外，我們還針對 SiC 設計流程提供了全面支持（包括大量文檔、設計工具、SiC 參考設計和技術(shù)支持），以輔助設計人員進行產(chǎn)品開發(fā)。 |
