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飛兆半導(dǎo)體 Martin Domeij 1200 V Silicon Carbide Bipolar Junction Transistors with Fast Switching and Low VCESAT 由于能源成本上升和人們積極應(yīng)對(duì)全球變暖，電力電子設(shè)備的能源效率已經(jīng)變得越來越重要。為了提升電力電子設(shè)備的能源效率，具有較低功率損耗的功率半導(dǎo)體器件技術(shù)是關(guān)鍵所在。在半導(dǎo)體器件中，功率損耗的降低可以改善系統(tǒng)效率，并帶來直接的能源節(jié)省。降低的低功率損耗同樣是有益的，可以減小系統(tǒng)體積，并增加像在混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車領(lǐng)域的市場(chǎng)滲透。 隨著開關(guān)電源和太陽能DC/AC轉(zhuǎn)換應(yīng)用逆變器市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，碳化硅(silicon carbide，SiC)功率二極管得到了廣泛應(yīng)用。SiC二極管技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是快速開關(guān)且無反向恢復(fù)。當(dāng)與超級(jí)結(jié)FET等快速開關(guān)器件一起使用時(shí)，SiC二極管能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率，減少無源元件并降低總體系統(tǒng)成本。SiC二極管技術(shù)已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中被證明是可靠的，采用工業(yè)晶圓，使得外延和半導(dǎo)體制造工藝用于SiC成為可能。后面重要的一步就是將向市場(chǎng)推出SiC功率開關(guān)管。 SiC功率開關(guān)管與SiC二極管一起使用，可以進(jìn)一步減小開關(guān)功率損耗，相比Si超級(jí)結(jié)FET或IGBT，具有顯著降低的通態(tài)(on-state)功率損耗。基于SiC功率器件系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，可以工作在更高的結(jié)溫，采用合適的封裝技術(shù)，器件的工作溫度甚至可以達(dá)到250℃。 在SiC功率開關(guān)管中，三種相互競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)MOSFET、JFET和雙極性晶體管(bipolar junction transistor，BJT)均可提供樣品或完全上市的成品。飛兆半導(dǎo)體已經(jīng)開發(fā)了額定電壓為1200 V的BJT器件，與硅功率雙極性晶體管截然不同。它具有很高(接近于100)的電流增益，且在大集電極電流下無衰減；開關(guān)速度象單極器件一樣快，并且非常穩(wěn)健，沒有二次擊穿問題。 圖1顯示了飛兆半導(dǎo)體SiC BJT有源區(qū)的橫截面原理圖，該器件是一種垂直外延NPN晶體管，集電極在晶圓的背面�；鶚O-發(fā)射極和基極-集電極結(jié)可通過干法刻蝕來形成，在有源區(qū)內(nèi)有許多窄發(fā)射極梳狀條，由基極-集電極結(jié)環(huán)繞著。P型離子注入用于形成低電阻基極歐姆接觸和高壓阻擋結(jié)終端。蝕刻和曝光的表面被鈍化，在厚絕緣氧化層沉積后進(jìn)行厚鋁墊(Al pad) 沉積，用于形成發(fā)射極和基極。在SiC BJT芯片的背面進(jìn)行金屬化，可兼容標(biāo)準(zhǔn)的貼片技術(shù)，正面有厚Al層適合厚Al引線粘接。SiC BJT備有兩種封裝：標(biāo)準(zhǔn)TO-247和專用高溫金屬TO-258封裝。這些封裝提供兩種不同的芯片尺寸，分別用于15A和50A額定電流。 
圖1 BJT有源區(qū)和結(jié)端橫截面原理圖 圖2顯示了采用TO-247封裝的1200V SiC BJT在室溫下的IC-VCE特性曲線。SiC BJT具有良好的傳輸特性，并具有確定的導(dǎo)通電阻，類似于功率MOSFET。圖3顯示了電流增益、VCESAT 和VBESAT與集電極電流的特性曲線。電流增益隨集電極電流而增加，并在15A的額定電流下，達(dá)到略高于100的穩(wěn)定水平。在高集電極電流下，電流增益無衰減，因?yàn)镾iC中的摻雜濃度高于Si功率BJT。因此，在額定電流下高量注入不會(huì)發(fā)生。
圖2 室溫下額定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特征曲線 圖3顯示了VCESAT 隨集電極電流呈線性增加，且在額定電流IC=15A時(shí)，其值為0.75 V。對(duì)于具有4.68 mm2有源區(qū)(active area)的15A SiC BJT芯片，相應(yīng)的特征導(dǎo)通電阻(specific on-resistance)僅為2.3 mΩcm2。就我們所掌握的知識(shí)，對(duì)于任何1200 V額定功率器件，這是最小的特征導(dǎo)通電阻。在VCEO=1200 V時(shí)的關(guān)斷狀態(tài)(open-base)下，15A SiC BJT的漏電流小于10μA，并且擊穿電壓的典型值是1500V。
圖3 額定電流15 A的1200 V SiC BJT的電流增益、VCESAT和VBESAT 圖4顯示了15A 1200V SiC BJT在IC=12 A和800 V及150℃下的開關(guān)測(cè)量值，其結(jié)果是VCE上升和下降時(shí)間在10ns-30ns范圍內(nèi)。即便在150℃下，關(guān)斷性能也無拖尾電流，因?yàn)镾iC BJT的存儲(chǔ)電荷非常少，可以推動(dòng)SiC BJT進(jìn)入深度飽和，而無開關(guān)損耗。在通態(tài)(on-state)期間，SiC BJT的快速開關(guān)是由于基區(qū)和集電區(qū)中存儲(chǔ)的自由載流子電荷較少，所以可以忽略對(duì)開關(guān)性能的影響。開關(guān)速度只受寄生的基極-集電極和基極-發(fā)射極電容控制，因此證明了開關(guān)速度和開關(guān)功率損耗極可能與溫度無關(guān)。
圖4 在T=150 C與IC=12 A和VCE=800 V下，導(dǎo)通(左)和關(guān)斷(右)的開關(guān)測(cè)量數(shù)值 為了實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，在導(dǎo)通(turn-on)和關(guān)斷(turn-off)期間，使用提供高動(dòng)態(tài)基極電流的驅(qū)動(dòng)電路是非常重要的。圖4中的開關(guān)波形包含了不需要的振蕩，它的產(chǎn)生是因?yàn)門O-247封裝和測(cè)試電路中的寄生電感。通過把SiC BJT芯片封裝在具有最小電感的電源模塊中，并分開用于驅(qū)動(dòng)電路和發(fā)射極間連接的引腳，可以獲得改進(jìn)的開關(guān)性能。 飛兆與Danfoss Silicon Power和德國(guó)基爾應(yīng)用科學(xué)大學(xué)(University of Applied Sciences Kiel)合作，研制了具有多個(gè)并行BJT芯片的原型電源模塊。原型電源模塊包含了兩個(gè)引線，有六個(gè)并行聯(lián)接的50 A SiC BJT芯片和六個(gè)反向并聯(lián)的50 A SiC肖特基(Schottky)二極管芯片。該電源模塊的尺寸為61 mm x 49 mm，采用環(huán)氧樹脂封裝，采用銀燒結(jié)貼片技術(shù)。圖5顯示了單引線SiC BJT模塊的IC-VCE 特性曲線。在IC=300 A下，正向壓降VCESAT只有1.0 V。
圖5 使用六個(gè)平行50 A 1200 V BJT芯片，采用環(huán)氧樹脂封裝的原型電源模塊的單引線IC-VCE特征曲線 來自SiC BJT的外部器件評(píng)估結(jié)果是肯定的。仿真結(jié)果表明，假如可以用SiC BJT 取代Si IGBT，在PV逆變器中使用1200V器件，升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率可以從16 kHz提高到64kHz，而不會(huì)增加總的功率損耗。使用SiC BJT和SiC肖特基二極管的完全基于SiC的電源模塊技術(shù)，對(duì)于光伏逆變器和高端馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，能夠提高效率和增加開關(guān)頻率。我們提供驅(qū)動(dòng)電路指南和應(yīng)用指南以支持SiC BJT技術(shù)，為客戶提供改進(jìn)能源效率的解決方案。也提供采用特殊金屬TO-258封裝的SiC BJT，目標(biāo)為高溫電力電子設(shè)備應(yīng)用，比如石油和天然氣鉆探及航空。 |
