摘要：傳統(tǒng)硅基MOSFET技術(shù)日趨成熟,，正在接近性能的理論極限,。寬帶隙半導(dǎo)體的電、熱和機(jī)械特性更好,，能夠提高M(jìn)OSFET的性能,，是一項(xiàng)關(guān)注度很高的替代技術(shù)。

　　商用硅基功率MOSFET已有近40年的歷史,，自問(wèn)世以來(lái),，MOSFET和IGBT一直是開(kāi)關(guān)電源的主要功率處理控制組件,，被廣泛用于電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路設(shè)計(jì),。

　　不過(guò),，這一成功也讓MOSFET和IGBT體會(huì)到因成功反而受其害的含義。隨著產(chǎn)品整體性能的改善,，特別是導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗的大幅降低,，這些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。結(jié)果,，市場(chǎng)對(duì)這些硅基MOSFET和IGBT的期望越來(lái)越高,，對(duì)性能的要求越來(lái)越高。

　　盡管主要的半導(dǎo)體研發(fā)機(jī)構(gòu)和廠商下大力氣滿足市場(chǎng)要求,，進(jìn)一步改進(jìn)MOSFET/ IGBT產(chǎn)品,，但在某些時(shí)候，收益遞減法則占主導(dǎo),。幾年來(lái),，盡管付出投入很大，但成效收獲甚微,。技術(shù)和產(chǎn)品最終發(fā)展到一個(gè)付出與收獲不成正比的階段,，并不罕見(jiàn)，這是在為新的顛覆性方法和新產(chǎn)品問(wèn)世奠定基礎(chǔ),。

　　對(duì)于MOSFET器件,，這個(gè)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新周期是開(kāi)發(fā)和掌握新基礎(chǔ)材料的結(jié)果。與基于純硅的MOSFET比較,，基于碳化硅(SiC)的MOSFET的性能更勝一籌,。 請(qǐng)注意，本文對(duì)比測(cè)試所用產(chǎn)品不是研發(fā)樣品或演示原型,，而是已經(jīng)商用的基于SiC的MOSFET,。

　　作為一個(gè)重要的快速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車(EV/HEV)的發(fā)展受益于MOSFET技術(shù)進(jìn)步,，反過(guò)來(lái)又推到了MOSFET的研發(fā)制造活動(dòng),。不管消費(fèi)者是如何想的,，這些滿載電池的汽車不只是一個(gè)大型電池組連接數(shù)個(gè)牽引電機(jī)那樣簡(jiǎn)單（混動(dòng)汽車還有一個(gè)小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)給電池充電）,，而是需要大量電子模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，管理設(shè)備,，執(zhí)行特殊功能,，如圖1所示。

　　圖1：電動(dòng)汽車和混合動(dòng)汽車不只是一臺(tái)大容量電池連接數(shù)臺(tái)牽引電機(jī),，還有許多較小的電子子系統(tǒng)及電源,，以及給大型電池組充放電和管理電池組的高功率子系統(tǒng),。

　　電動(dòng)汽車和混合動(dòng)汽車所用的功率開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括：

　　·輪轂電機(jī)牽引逆變器（200 kW/最高20 kHz）；

　　·交流輸入車載充電器（20 kW/50 kHz-200 kHz）,；

　　·選配快速充電功能（50 kW/50 kHz-200 kHz）

　　·輔助功能電源：中控臺(tái),、電池管理控制、空調(diào),、信息娛樂(lè)系統(tǒng),、GPS、網(wǎng)絡(luò)連接（4 kW/ 50 kHz-200 kHz量級(jí)）

　　為什么要注重能效,？ 續(xù)航里程顯然是消費(fèi)者選購(gòu)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)汽車的重要考慮因素之一,。逆變器的性能提高幅度即便很小，也能導(dǎo)致消費(fèi)者能夠看到的汽車基本性能指標(biāo)明顯提高,。

　　但是,，要求高能效的不止于這一個(gè)因素，還有多種其它因素：

　　·降低工作溫度,，提高可靠性,；

　　·降低熱負(fù)荷，減少通過(guò)散熱器,、散熱片,、冷卻液和其它技術(shù)散發(fā)的熱量；

　　·減少充電時(shí)間和基本用電量,；

　　·由于工作溫度較高的系統(tǒng)固有的要求和限制,，整體封裝需要具有更大的靈活性；

　　·更加輕松地符合法規(guī)要求,。

　　SiC應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

　　幸運(yùn)的是,，SiC提供了一條通向更高能效以及提高相關(guān)性能的途徑。在結(jié)構(gòu)和性能上,，SiC MOSFET與主流的純硅MOSFET有何不同,？簡(jiǎn)而言之，SiC MOSFET是在SiC n +襯底上加一個(gè) SiC n摻雜外延層（又稱漂移層）,，如圖2所示,。關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)通電阻RDS(ON)在很大程度上取決于源極/基極和漂移層之間的溝道電阻RDrift。

　　圖2：不同于純硅MOSFET,，SiC MOSFET在n +型 SiC襯底上面制作一個(gè)碳化硅外延（漂移）層,，源極和柵極置于SiC漂移層頂部。

　　當(dāng)RDrift值給定,，結(jié)溫是25?C時(shí),，SiC晶體管裸片實(shí)際面積是硅超結(jié)晶體管裸片面積的幾分之一，如果使兩個(gè)管子的芯片面積相同，那么SiC晶體管的性能要高出很多,。另一個(gè)比較SiC和硅的方法是用大家熟悉的品質(zhì)因數(shù)(FOM),，即RDS(ON) ×芯片面積（品質(zhì)因數(shù)越低越好）。在1200V阻斷電壓下,，意法半導(dǎo)體的SiC MOSFET的FOM值很小,，約為市面上最好的高壓硅MOSFET（900V超結(jié)管）的十分之一。

　　與牽引逆變器常用的硅基IGBT相比,，SiC MOSFET主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　·開(kāi)關(guān)損耗更低,，在中小功率時(shí)，導(dǎo)通損耗更低,；

　　·沒(méi)有IGBT那樣的PN結(jié)電壓降,；

　　·SiC器件具有堅(jiān)固、快速的本征二極管,，無(wú)需外部二極管,；該本征二極管的恢復(fù)電          荷極小，幾乎可以忽略不計(jì),；

　　·工作溫度更高(200?C),，從而降低了冷卻要求和散熱要求，同時(shí)提高了可靠性,；

　　·在能效相同的條件下,，開(kāi)關(guān)頻率是IGBT的4倍，由于無(wú)源器件和外部元件少,，重              量,、尺寸和成本更低。

　　驅(qū)動(dòng)器

　　經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師知道,，功率器件只是整個(gè)系統(tǒng)的眾多重要組件之一,。要想使設(shè)計(jì)變得可靠、高效,，有成本效益,，還需要給MOSFET選擇適合的驅(qū)動(dòng)器。適合的驅(qū)動(dòng)器是根據(jù)目標(biāo)MOSFET及其負(fù)載特有的電流變化率,、電壓值和時(shí)序限制而專門(mén)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器,。由于硅基MOSFET技術(shù)已經(jīng)成熟，市面上有很多品牌的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器,，保證驅(qū)動(dòng)器/ MOSFET組合正常工作,。

　　因此，人們關(guān)心SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)的難易程度,，更關(guān)心驅(qū)動(dòng)器在市場(chǎng)上是否有售,，這是很正常的事情。令人興奮的是,，驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET幾乎與驅(qū)動(dòng)硅基MOSFET一樣容易,，驅(qū)動(dòng)一個(gè)80mΩ器件，只需要20V柵-源電壓,、最大約2A的驅(qū)動(dòng)電流,。因此，在許多情況下都可以使用簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動(dòng)器,。意法半導(dǎo)體和其它廠商開(kāi)發(fā)出了針對(duì)SiC MOSFET優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器,，例如ST TD350。

　　在這款先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi),，創(chuàng)新的有源米勒鉗位功能大多數(shù)應(yīng)用中節(jié)省了負(fù)電壓柵極驅(qū)動(dòng),，并允許使用簡(jiǎn)單的自舉電源驅(qū)動(dòng)高邊驅(qū)動(dòng)器；電平和延遲可調(diào)節(jié)的兩級(jí)關(guān)斷功能可以預(yù)防關(guān)斷操作產(chǎn)生大量的過(guò)電壓,，以防萬(wàn)一發(fā)生過(guò)流或短路情況,，兩級(jí)關(guān)斷功能中設(shè)置的延遲還可用于控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通操作，防止脈沖寬度失真,。(為進(jìn)一步簡(jiǎn)化SiC MOSFET的使用,，意法半導(dǎo)體發(fā)布了題目為 “如何微調(diào)SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，最大限度降低損耗”的應(yīng)用筆記,，全面詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)器的要求和最佳性能解決方案,。)

　　不只是推斷，還是事實(shí)

　　制造工藝的進(jìn)步有時(shí)并不能保證新技術(shù)一定會(huì)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用,，而SiC MOSFET卻是一個(gè)例外,。目前，SiC MOSFET已經(jīng)大批量生產(chǎn),，并被混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車采用,，在能效、性能和工作條件方面取得切實(shí)的成效,，并傳導(dǎo)到電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí),。

　　我們用混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車的80kW牽引電機(jī)逆變器電源模塊做了一個(gè)SIC MOSFET與硅IGBT的對(duì)比測(cè)試，結(jié)果顯示,，在許多關(guān)鍵參數(shù)方面,，650V SIC MOSFET遠(yuǎn)勝硅IGBT。這個(gè)三相逆變器模塊采用雙極性PWM控制拓?fù)?，具有同步整流模式,。兩種器件都是按照結(jié)溫小于絕對(duì)最大額定結(jié)溫80％確定器件尺寸。硅 IGBT方案使用4個(gè)并聯(lián)的650V/200A IGBT和額定值相同的相關(guān)續(xù)流硅二極管,；基于SIC MOSFET的方案設(shè)計(jì)采用7個(gè)并聯(lián)的650V/100A SiC MOSFET,，未使用任何外部二極管（只用本征二極管）；額定峰值功率480Arms（10秒），正常負(fù)載230Arms,。其它工作條件是：

　　·直流電路電壓：400Vdc

　　·開(kāi)關(guān)頻率：16kHz

　　·SiC Vgs電壓 +20V/-5V,，IGBT Vge電壓 ±15V

　　·冷卻液溫度：85℃

　　·RthJ-C(IGBT-die)=0.4℃/W; RthJ-C(SiC-die)=1.25℃/W

　　·在任何條件下，Tj ≤ 80% ×Tjmax℃

　　下表列出了在額定峰值功率下的典型功率損耗：

　　注意到,，SiC MOSFET與硅基IGBT對(duì)比,，幾乎所有功率損耗參數(shù)都有明顯改善。當(dāng)并聯(lián)MOSFET時(shí),，所產(chǎn)生的RDS(ON) 導(dǎo)通電阻除以MOSFET的個(gè)數(shù),，致使導(dǎo)通損耗接近零，因此,，SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗低于IGBT,。相反，當(dāng)并聯(lián)IGBT時(shí),，所產(chǎn)生的VCE(SAT) 電壓不會(huì)線性下降,，并且最小導(dǎo)通電壓降是限制在大約0.8至1 V范圍內(nèi)。

　　不難看出,，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),，基于SiC的MOSFET解決方案的功率損耗低很多。由于導(dǎo)通電壓降較低,，這些MOSFET在100％負(fù)載時(shí)的導(dǎo)通損耗也從125 W降低到55 W,，如圖3a和3b所示。

　　圖3：a）在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),，基于SiC的設(shè)計(jì)（紅線）的功耗比硅基IGBT(藍(lán)線)低很多（左圖）,。 b）SiC系統(tǒng)（紅線）的能效明顯高于純硅方案（藍(lán)線），在較低的負(fù)載比時(shí)尤為顯著,。

　　在低負(fù)載時(shí),，SiC器件的能效比硅IGBT高達(dá)3％；在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),，總能效高至少 1％,。盡管1％看起來(lái)似乎不高，但對(duì)于這個(gè)功率等級(jí),，1％代表了很高的功耗,、耗散功率和散熱量。工程師知道,，高溫是持久性能和可靠性的大敵,。此外，高能效還能延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程,，這是汽車制造商和消費(fèi)者比較看重的價(jià)值主張,。在16 kHz開(kāi)關(guān)頻率下,，比較SiC與IGBT的結(jié)溫，從低負(fù)載到滿負(fù)載,，顯然SiC是贏家,，兩者的冷卻液溫度均為85?C，如圖4所示,。數(shù)據(jù)表明，因?yàn)閾p耗高,，IGBT冷卻系統(tǒng)的效率必須更高,。

　　圖4：結(jié)溫決定開(kāi)關(guān)頻率高低、可靠性以及其它性能,；在可靠性方面,，SiC解決方案（紅線）優(yōu)于硅解決方案（藍(lán)線），直到100％負(fù)載仍然保持較低的Δ(Tj-Tfluid)溫差,。

　　SiC器件結(jié)溫幾乎在整個(gè)開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)都處于較低的水平,，如圖5所示，甚至開(kāi)關(guān)頻率低至8 kHz時(shí),，溫度也比IGBT低,，硅基IGBT在46 kHz時(shí)已超出額定結(jié)溫范圍。

　　圖5：在整個(gè)開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi),，結(jié)溫低也是SiC器件的主要優(yōu)勢(shì),；這兩個(gè)方案在8 kHz時(shí)結(jié)溫大致相同，但之后SiC（紅線）逐漸優(yōu)于Si（藍(lán)線）,，后者隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而大幅增加,。

　　在峰值功率脈沖條件下，SiC MOSFET導(dǎo)通損耗高于IGBT,，為使結(jié)溫保持在最高結(jié)溫以下（通常為200?C的Tjmax的80％）,，我們限定SiC MOSFET的尺寸，這時(shí) SiC MOSFET具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　·芯片面積小,，適合更緊湊的方案,；

　　·中低負(fù)載功率損耗低很多；

　　·電池續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng),，延長(zhǎng)汽車?yán)m(xù)航里程,；

　　·滿載時(shí)損耗更低，適用于更小的冷卻方案,；

　　·在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),，結(jié)溫Tj和冷卻液溫度Tfluid的溫差小，可提高可靠性,。

　　這些特性和優(yōu)點(diǎn)為用戶帶來(lái)了切實(shí)的好處,，例如,，能效提高至少1％（損耗降低75％）；逆變器側(cè)冷卻系統(tǒng)更小,、更輕（減少約80％）,；電源模塊更小、更輕（減少50％）,。

　　成本考量

　　當(dāng)討論技術(shù)進(jìn)步及其帶來(lái)的好處時(shí),，不考慮成本因素的討論都是片面的。目前,，SiC MOSFET的成本是硅IGBT的4-5倍,，不過(guò)，SiC MOSFET在物料清單,、冷卻系統(tǒng)和能耗方面的節(jié)省,，降低了系統(tǒng)總成本，通?？梢缘窒暨@些基礎(chǔ)組件的成本差距,。在未來(lái)2-5年，隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向大直徑晶圓,，意法半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)型,，這一價(jià)差應(yīng)該會(huì)降至3倍甚至2.5倍，品質(zhì)因數(shù)RDSON × 面積也將得到改善,，產(chǎn)量將會(huì)提高,。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，未來(lái)5-10年,，隨著這些參數(shù)改進(jìn),，成本將會(huì)繼續(xù)降低。

　　SiC功率開(kāi)關(guān)帶來(lái)了改進(jìn)性能的希望,，同時(shí)也將這些希望變成了現(xiàn)實(shí),，在應(yīng)用和安裝中幾乎不存在設(shè)計(jì)折衷問(wèn)題。隨著汽車廠商加緊研發(fā)混動(dòng)汽車,、電動(dòng)汽車和許多相關(guān)電源模塊,，以及其它以大功率電機(jī)為中心的應(yīng)用，SiC功率開(kāi)關(guān)可以在成功設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用,，即使改進(jìn)步伐很小,，也會(huì)為系統(tǒng)級(jí)帶來(lái)巨大的進(jìn)步。