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碳化硅MOS管(SiC-MOSFET)

發(fā)布時間:2022-11-28作者來源:薩科微瀏覽:6059


SiC材料與目前應該廣泛的Si材料相比,較高的熱導率決定了其高電流密度的特性,較高的禁帶寬度又決定了SiC器件的高擊穿場強和高工作溫度。其優(yōu)點主要可以概括為以下幾點:
1) 高溫工作
SiC在物理特性上擁有高度穩(wěn)定的晶體結構,其能帶寬度可達2.2eV至3.3eV,幾乎是Si材料的兩倍以上。因此,SiC所能承受的溫度更高,一般而言,SiC器件所能達到的[敏感詞]工作溫度可到600 oC。
2) 高阻斷電壓
與Si材料相比,SiC的擊穿場強是Si的十倍多,因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。
3) 低損耗
一般而言,半導體器件的導通損耗與其擊穿場強成反比,故在相似的功率等級下,SiC器件的導通損耗比Si器件小很多。且SiC器件導通損耗對溫度的依存度很小,SiC器件的導通損耗 隨溫度的變化很小,這與傳統(tǒng)的Si器件也有很大差別。
4) 開關速度快
SiC的熱導系數(shù)幾乎是Si材料的2.5倍,飽和電子漂移率是Si的2倍,所以SiC器件能在更高的頻率下工作。
綜合以上優(yōu)點,在相同的功率等級下,設備中功率器件的數(shù)量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小,同時效率也有大幅度的提升。
在SiC MOSFET的開發(fā)與應用方面,與相同功率等級的Si MOSFET相比,SiC MOSFET導通電阻、開關損耗大幅降低,適用于更高的工作頻率,另由于其高溫工作特性,大大提高了高溫穩(wěn)定性。1200V功率等級下,各類功率器件的特性比較結果,參與比較的SiC MOSFET是GE12N15L。需要指出的是,這些功率器件都為TO-247封裝,且IPW90R120C3耐壓僅為900V,但它已是所能找到的相似功率等級下,特性較好的Si MOSFET。

1. 器件結構和特征

Si材料中越是高耐壓器件,單位面積的導通電阻也越大(以耐壓值的約2~2.5次方的比例增加),因此600V以上的電壓中主要采用IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)。
IGBT通過電導率調制,向漂移層內注入作為少數(shù)載流子的空穴,因此導通電阻比MOSFET還要小,但是同時由于少數(shù)載流子的積聚,在Turn-off時會產生尾電流,從而造成極大的開關損耗。
SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低,不需要進行電導率調制就能夠以MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低阻抗。
而且MOSFET原理上不產生尾電流,所以用SiC-MOSFET替代IGBT時,能夠明顯地減少開關損耗,并且實現(xiàn)散熱部件的小型化。
另外,SiC-MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅動,從而也可以實現(xiàn)無源器件的小型化。
與600V~900V的Si-MOSFET相比,SiC-MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積?。蓪崿F(xiàn)小型封裝),而且體二極管的恢復損耗非常小。
主要應用于工業(yè)機器電源、高效率功率調節(jié)器的逆變器或轉換器中。

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2. 標準化導通電阻

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍,所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現(xiàn)高耐壓。
因此,在相同的耐壓值情況下,SiC可以得到標準化導通電阻(單位面積導通電阻)更低的器件。
例如900V時,SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1,就可以實現(xiàn)相同的導通電阻。
不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導通電阻,而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。
SJ-MOSFET只有900V的產品,但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。
因此,沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構(導通電阻變低,則開關速度變慢),就可以實現(xiàn)低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?

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3. VD - ID特性

SiC-MOSFET與IGBT不同,不存在開啟電壓,所以從小電流到大電流的寬電流范圍內都能夠實現(xiàn)低導通損耗。
而Si-MOSFET在150°C時導通電阻上升為室溫條件下的2倍以上,與Si-MOSFET不同,SiC-MOSFET的上升率比較低,因此易于熱設計,且高溫下的導通電阻也很低。

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4. 驅動門極電壓和導通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低,但是另一方面,按照現(xiàn)在的技術水平,SiC-MOSFET的MOS溝道部分的遷移率比較低,所以溝道部的阻抗比Si器件要高。
因此,越高的門極電壓,可以得到越低的導通電阻(VCS=20V以上則逐漸飽和)。
如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驅動電壓VGS=10~15V不能發(fā)揮出SiC本來的低導通電阻的性能,所以為了得到充分的低導通電阻,推薦使用VGS=18V左右進行驅動。

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