浅谈碳化硅MOSFET的优势及驱动基本规格
随着诸多大功率电源应用越来越普及，传统的硅MOSFET在应用中的限制越来越明显，宽禁带器件的使用变得越来越广泛，其中，碳化硅MOSFET是非常典型的一种。这里，我们通过介绍碳化硅器件的固有优势，让大家对碳化硅MOSFET有一个基本的认识，同时，也对碳化硅MOSFET的驱动上的特点进行一定的讨论，以避免设计中的误区。
一．典型基本的概念的解释
首先，了解一下什么是碳化硅？碳化硅是一种无机物，化学式为SiC,是用石英砂，石油焦（或煤焦），木屑等原料通过高温冶炼而成，碳化硅在大自然中也存在罕见的矿物，如莫桑石。在各种非氧化物等高技术耐火材料中，碳化硅是应用最广泛，最经济的一种，可以称为金刚砂或者耐火砂。 中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。。SiC顾名思义，是一种由硅（Si）和碳（C）组成的化合物材料，它属于宽禁带材料的一种，在物理上具有非常好的机械，化学，热稳定性。
其次，我们回顾一下什么是MOSFET? MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor) , 全称是金属氧化物半导体场效应晶体管，它具有三个极，源极S, 漏极D, 门级G, 如图1，所示。其中源极和漏极是可以对调的，都是在P型衬底上形成的N型区域，两个区对调也不会影响器件的性能，它属于对称器件，很长一段时间，MOSFET都是以Si硅为主要材料制作而成，在电力电子领域应用广泛。
图1 N沟道MOSFET的基本结构
和MOSFET相对应的是双极性节型晶体管（Bipolar Junction Transistor，即BJT），也是一个具有三个极的电子器件，通过在控制极设置一个微小的电流变化，而在输出极产生一个大的电流变化，所以，双极性晶体管的电流增益就是输出电流比上输入电流。而场效应管（FET）是通过对控制极施加一个电压变化而去控制输出电流变化，所以其增益定义为输出电流和输入电压之比，这是一个跨导概念。比较常见的是N沟道和P沟道的MOSFET, N沟道MOSFET相比P沟道MOSFET主要用于大电流场合。
从本质上讲，MOSFET是通过门级的电场去控制漏极的电流，所以其驱动损耗非常小，所以应用领域比双极性晶体管广泛的多。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极性晶体管）是结合了MOSFET和BJT二者的优点而制作的电压型驱动功率器件，前者的驱动损耗小，后者的饱和压降低，所以在高压场合也比较适合600V以上的应用，但是其缺点是开关损耗大，所以限制了其在高开关频率，小型化场合的应用。
近些年随着工艺的发展，相比以前更容易获取更大尺寸和高质量的碳化硅晶元，同时高温晶体生长制成也越来越成熟，所以在碳化硅材料在电子器件中的应用越来越多。在多种晶体结构中，4H-SiC结构是最适合做电力电子器件的一种。纯的碳化硅材料一般认为是绝缘体，而通过一定的参杂，将它变为半导体，通过合适的条件，如电压控制，控制它成为一定条件下的导体。
图2 典型的6英寸碳化硅晶元
以碳化硅为核心材料制作成的MOSFET，称作碳化硅MOSFET,它相比传统的Si MOSFET具有很多优势，接下来我们一一探讨。
二.碳化硅MOSFET的典型优势特性
图3宽禁带材料及传统硅材料特性对比
热导率是一种材料耗散自己产生的热量的能力，热导率越大，越适合在高温下使用，由于碳化硅材料禁带宽度较大（能量隙带是硅的3倍），热稳定性好，热导率高（超过硅的3倍），所以，首先它非常适合在高达200C结温的高温下运行，而保持比较高的可靠性，这在硅MOSFET上是不现实的，所以，碳化硅MOSFET很适合在高温，高压，大功率电源场合应用，由于热导率高，所以其散热系统也更容易设计。
从上图3数据上看，其击穿场强是硅材料的大约10倍，这一点让它非常适合做高耐压器件，从650V到几千伏的器件都非常容易。由于参杂浓度比较高，所以碳化硅MOSFET的漂移区比较薄，因此漂移区阻抗非常低，而相比同样耐压的硅MOSFET，碳化硅可以做到更小的Die的尺寸，或者说同样大小的Die，可以做更小的导通阻抗，在理论上，一定高压下，碳化硅的单位面积漂移区阻抗只有传统硅的1/300.
碳化硅MOSFET和传统的硅MOSFET一样，具有固有的寄生体二极管，但是碳化硅MOSFET的体二极管的特性非常好，尤其是反向恢复特性。众所周知，在硅MOSFET的硬开关电源应用中，器件关断时反向恢复时间Trr和反向恢复电流Irr比较大，在这个过程中势必带来较大的反向恢复损耗，所以一定条件下限制了高开关频率的使用，并且让系统EMI变得比较差。在碳化硅MOSFET中，这个问题就不存在了，由于良好的体二极管特性，其反向恢复时间Trr和电流Irr都变得几乎忽略不计。如下图4，是一个基于1000V的硅MOSFET和一个碳化硅MOSFET的反向恢复特性对比，可以看到，SiC的MOSFET反向恢复损耗很小，时间和电流也可以不略不计。
图4 碳化硅和硅MOSFET的反向恢复特性比较
对电源系统来说，由于碳化硅材料的特点，它使得碳化硅MOSFET具有较低的开关损耗，及导通损耗，非常方便通过高频化提高系统的功率密度。具体来说，通过运行于更高的开关频率，周边无源器件如功率电感，变压器，输入电容和输出电容等都会减小使用个数及体积，连同散热系统也会减小体积。
三.碳化硅MOSFET的基本驱动要求
首先需要考虑的是，用什么样的电压去驱动碳化硅MOSFET,这是非常重要的，一般来说，规格书会给出如下几个指标，绝对最大门级电压，额定门级电压，门极电压门限几个参数。
对于额定最大电压，它是加在门级电压的允许的最大值，在任何情况下都不能超过这个值，否则可能会损坏器件，这个规格主要是考虑有一些门级电压尖峰或者噪声，或者基于寄生参数及layout因素导致的一些门级瞬态电压。此处我们以MSC015SMA070B4这个700V耐压，15mohm导通阻抗的碳化硅MOSFET来说明一下，如图5.所示。此处，我们可以看到这个器件允许的门级最大正电压为23V,和最大负电压为-10V.
额定的门级电压是推荐的正常工作时的门级电压，我们同样以MSC015SMA070B4这个器件为例，它推荐的正向驱动电压是20V,当减小门级电压后，其可以驱动的负载电流能力会减小，由图6及图7所示可知，其导通电阻和导通损耗也会相应增加。
门级驱动电压设置在20V,也可以对门级驱动电压规格上限留出一定的裕量，以免门级氧化物被击穿，或者影响其寿命。
图5 碳化硅MOSFET门级电压最大值参数
图6 常温下碳化硅MOSFET的正向驱动电压和负载电流关系
图7高温下碳化硅MOSFET的正向驱动电压和负载电流关系
除了正电压驱动指标外，我们需要考虑的另一个指标是门级导通门限，VGS-th，这个指标对于碳化硅器件来说是比较低的，如图8所示，这里看到MSC015SMA070B4的这个指标在常温下是2V左右。
图8 典型碳化硅MOSFET的门级驱动电压门限
图9 典型碳化硅MOSFET的门级驱动电压随温度变化曲线
同时，门级导通门限这个指标，随温度变化又是负的趋势，也就是说，温度越高，其导通门限越低，这就让密勒效应的后果在高温下更容易产生误开通的问题。
事实上，在一般的单端拓扑或者非同步整流的拓扑中，由于不会造成上下管短路直通的效应，因此只需要正电压驱动即可，可以用0V的电压让它关断。而在大功率拓扑中，更为常见的是使用桥式电路拓扑，由于可能的上下管的直通问题，从而影响电路效率和可靠性，不得不作为一个重点考虑的问题，如图10所示。
图10 半桥电路拓扑单元结构
由于寄生电容CGD的存在，在关断下管时，会由于寄生电容产生密勒效应，门级会有一定的电压尖峰存在，一旦超过门级开通门限电压VGS-th，就会再次开通，所以，为了避免下管在关断时再次开通，一般建议这种场合中使用负电压去稳定关断器件（也可以通过门级米勒钳位驱动电路使用0V的驱动电压）。MSC015SMA070B4，这里推荐-5V电压，既能可靠关断器件，又和负电压规格保持较大的设计裕量。负电压越大，容易产生更大的开关损耗。
根据上述门级驱动电压的基本要求，我们可以得出一个合适的驱动电压规格，但是，另一个需要注意的问题就是工程实践中需要注意的容差问题，如果驱动电压的精度太低，尤其是正向驱动电压，它会对碳化硅器件的导通电阻Rdson及导通损耗产生较大的影响。一般的经验是，5%的驱动电压变化，会在常温下导致4%的导通阻抗变化，在高温125C下导致2%的导通阻抗的变化，因此建议将驱动电压控制在5%的精度范围内。
总结，本文通过回顾基本开关器件的概念，引出新型宽禁带器件碳化硅MOSFET的优势，进而从基本规格上去分析其驱动电压的基本要求，为后续理解碳化硅MOSFET的更为详细的设计要求奠定一些基础。
