面向 xEV 和工业应用的新一代 SiC MOSFET
行家说消息
凭借新的大众市场生产能力和巨大的性能改进，更新的碳化硅 MOSFET 技术非常适合满足高压电力电子系统的苛刻要求。
为了提高电源系统效率和功率密度，许多应用都在逐步提高开关频率和整体系统电压。这一趋势最近导致了对能够以超低导通和开关损耗运行的高压功率半导体开关的需求。例如，前几代电动汽车使用的电力系统只有几百伏；较新的 EV 电源系统正在达到高达 800V 的电池电压，并朝着更高的开关频率发展，以减小无源元件的尺寸。
数据中心、光伏以及大量其他可再生能源和工业应用也是如此。这些新的功率转换系统需要在固态功率开关器件方面取得突破，以高效可靠地处理高功率、快速开关速度和宽工作温度范围。传统 IGBT 技术难以提供这些应用所需的新效率阈值。凭借新的大众市场生产能力和巨大的性能改进，更新的碳化硅 MOSFET 技术非常适合满足高压电力电子系统的苛刻要求。
SiC 在功率器件方面的性能优于 Si
对于功率应用，SiC作为一种半导体，在电击穿、带隙能量、电子饱和速度和热导率方面都大大优于硅。这使得 SiC MOSFET 能够在固有的更高电压、温度和频率下运行，同时传导更高的功率水平。此外，SiC 是一种极其坚硬且坚固的材料，其莫氏硬度为 13，而碳化硼和金刚石的莫氏硬度等级分别为 14 和 15（图 1）。
图 1：SiC、GaN 和硅材料特性的比较。SiC 的物理特性使其能够以比硅功率器件更高的效率运行。
具体来说，SiC 器件适用于比 Si 对应器件高得多的击穿电压，大约是 5 倍到 10 倍。这个因素很重要，因为高压硅开关需要采用双极电流传导来降低导通电阻，从而导致更慢和更节能的开关过程。此外，硅晶体管的这种设计必要性会导致导通拐点电压，即使是最小的电流也能导通，从而降低导通损耗性能。
SiC 相对于 Si 的固有优势可归因于 SiC 更大的带隙能量。宽禁带能量赋予 SiC 比 Si 高近 10 倍的击穿电场，使其能够以 10 倍薄的漂移层和近 100 倍的掺杂浓度支持相同的额定电压。这些因素将每单位芯片面积的通态电阻降低了大约 300 倍。在 650 V 及更高的额定电压下，由于没有少数载流子存储效应和尾电流损耗，SiC MOSFET 的开关速度比 Si IGBT 快得多，从而实现了高频操作和更小的系统尺寸。
SiC 还可以承受比 Si 更高的温度和机械应变的恶劣环境条件。这部分是由于 SiC 的热导率比 Si 高得多，而且其能带隙更宽。因此，SiC 器件能够在高于 200°C 的温度下保持功能性和完整性，而 Si 器件在超过 100°C 的温度下会显着退化，并且通常额定温度不会超过 150°C。这些特性使 SiC 器件更加可靠和坚固，无需复杂的系统设计来进行热管理和电气保护。
新型 SiC MOSFET 的主要特性和增强功能
除了 SiC 在功率器件方面优于 Si 的固有优势外，SiC MOSFET 技术本身也在日趋成熟。一些最新一代的 SiC MOSFET 表现出低得多的静态漏源导通电阻（R DS(on)或 R on），因为改进了双沟槽结构，降低了栅极漏极的开关损耗电容和封装创新，可降低成本并减少设备占用空间。
为了说明这项技术的改进，我们将使用 Rohm 的第四代 SiC MOSFET 1作为示例。这些采用沟槽栅技术开发，与相同芯片尺寸的第三代器件相比， R on降低了 40% 。这种改进的好处是 SiC MOSFET 可以在更高的电流密度下工作，同时最大限度地减少通态传导损耗。反过来，这些器件可以做得更小，以满足相同的系统功率要求，从而降低 SiC 组件的成本（图 2）。
图 2：Rohm 的第四代 1,200-V SiC MOSFET 与公司现有器件的比较显示，在同等芯片尺寸和更高电流能力下，RDS(on) 降低了 40%。
减小的 R on是更小的单元间距、改进的 MOS 界面、晶圆背面研磨和其他性能增强设计策略的结果。这些策略的结果并未导致短路耐受时间 (SCWT) 的折衷。这一点很重要，因为 Ron 的典型降低会导致在短路事件期间芯片上的饱和电流增加和散热增加，结温升高相应更快，SCWT 更短。
图 3：Rohm 的第四代 SiC MOSFET 改善了短路耐用性和通态电阻之间的权衡关系。
降低 C rss是第四代这种特定 SiC MOSFET 技术的另一个优势。这导致了 dV/dt 速度增加和 E on /E off降低。与第三代器件相比，该器件还具有较低的 C rss /C iss比、较低的 E rr和较低的 V gs浪涌。除了最大限度地降低寄生导通风险外，新一代 SiC MOSFET 的改进设计和单元结构与上一代器件相比，开关损耗降低了约 50%。
图 4：开关损耗比较——第四代 SiC MOSFET 与第三代 SiC MOSFET
开关损耗发生在器件从阻塞（关闭状态）到导通（开启状态）的转换过程中，反之亦然。降低开关损耗意义重大，因为开关损耗直接影响设备效率和使用过程中的热量积聚。凭借更好的开关损耗性能，器件可以在不超过散热限制的情况下以更高的频率运行。这种额外的余量通常为减小电感器和电容器组件尺寸开辟了可能性，并导致更紧凑的电源转换器系统。
SiC SDIP 模块提供最佳集成封装
改进芯片设计以提高功率效率需要优化器件封装，以最大限度地提高开关性能并减少组件占位面积。带有附加驱动源连接的分立式封装以及具有紧凑尺寸和灵活内部拓扑的 SDIP 电源模块有助于实现这一点。
对于具有独立开尔文源极引脚的分立产品，主电流路径上的源极杂散电感不再影响施加到芯片上的有效栅极电压。2结果是明显更快的 di/dt 速度和更低的开关损耗，与使用传统封装的成本差异最小。
图 5：与传统模块或分立解决方案相比，具有灵活内部拓扑的新型 SDIP 模块提供更小的占位面积和更低的成本。
SDIP 外形尺寸可实现针对中等功率应用的紧凑型电源模块，例如电动汽车的车载充电器、太阳能逆变器、储能系统和不间断电源。该模块可以在内部集成多达六个 SiC MOSFET，具有包括 H 桥、三相桥等在内的拓扑选项。这些封装占用空间小、背面绝缘且组装工艺简单，可实现简化的电路板设计，与使用多个分立器件或传统模块可实现的相比，其体积更小、成本更低。
持续的 SiC 发展推动规模经济
通过不断投资于碳化硅技术的研发，罗姆已经能够提供碳化硅MOS和全碳化硅模块，并实现沟槽式碳化硅MOS的量产。这种不断的发展有助于实现行业领先的性能，并通过降低成本和在衬底/晶圆工艺能力方面带来规模经济优势来满足 SiC 需求的增长。
在罗门，一个关键因素是将晶圆直径从 100 毫米增加到 150 毫米，以及对更大 SiC 产能的投资。2009 年收购领先的 SiC 衬底供应商 SiCrystal，帮助 Rohm 建立了垂直整合的 SiC 生产体系，具有始终如一的质量和供应保证。
电动汽车和工业电力电子的最新趋势正在朝着更高电压和更高频率的运行方向发展。这些应用中的激烈竞争正在鼓励电力系统制造商提供更紧凑、更高效的电力系统，而不会牺牲可靠性。SiC 功率器件通过大幅提升电源系统性能，非常适合满足这些不断发展的行业的需求。
作者：Ming Su，罗姆半导体技术营销经理。
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