碳化硅MOSFET有哪些优势？

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通过SiC系列的文《SiC材料到底“cool”在哪里？》，我们了解到了SiC材料本身的卓越性能。那么，使用SiC材料做成的器件又会有什么过人之处呢？接下来就让我们一探究竟吧。

• 相比Si IGBT，CoolSiC™ 好在哪儿？

目前IGBT和MOSFET都是广泛使用的功率器件，特别是在高压电力电子领域IGBT 应用更为普遍。那么，IGBT 和MOSFET 究竟有哪些区别呢？其实它们的结构非常相似，正面采用多晶硅与漂移区形成金属-氧化物-半导体结构，作为门极；漂移区普遍采用N型掺杂的半导体来承受阻断电压；门极施加正压（高于器件阈值电压）时，器件导通，通态电流在漂移区纵向流动。区别主要在于IGBT 在漂移区背面有P+注入作为集电极，而MOSFET 直接在N漂移区背面淀积金属作为漏极。IGBT 背面的P+决定了它是双极型器件，在器件导通时，发射极注入电子，而集电极注入空穴，两种载流子均参与导电。在器件关断时，多余的空穴只能在体内进行复合，从而造成拖尾电流，增加了关断损耗，限制了开关频率的提高。而且在高温下，拖尾电流更加明显，造成更大的关断损耗。目前IGBT 能实现系统的开关频率均在100kHz 以下。而MOSFET 只依赖电子进行导电，关断时电子可以迅速被抽走，没有拖尾电流，因而关断损耗更小，且基本不随温度变化。

下面我们通过实际测试数据来直观感受一下SiC 的优势。

1）开关损耗

图2是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3) 与CoolSiC™ MOSFET (IMW120R045M1) 在同一平台下进行开关损耗的对比测试结果。母线电压800V, 驱动电阻RG=2.2Ω，驱动电压为15V/-5V。使用1200V/20A G5 肖特基二极管 IDH20G120C5作为续流二极管。在开通阶段，40A 的电流情况下，CoolSiC™ MOSFET 开通损耗比IGBT 低约50%，且几乎不随结温变化。这一优势在关断阶段会更加明显，在25℃结温下，CoolSiC™ MOSFET 关断损耗大约是IGBT 的20%，在175℃的结温下，CoolSiC™ MOSFET 关断损耗仅有IGBT 的10%（关断40A电流）。且开关损耗温度系数很小。

2）导通损耗

图3是1200V HighSpeed3 IGBT (IGW40N120H3) 与CoolSiC™ MOSFET (IMW120R045M1) 的输出特性对比。常温下，两个器件在40A 电流下的导通压降相同。当小于40A 时，CoolSiC™ MOSFET 显示出近乎电阻性的特性，而IGBT 则在输出特性上有一个拐点，一般在1V~2V, 拐点之后电流随电压线性增长。当负载电流为15A 时，在常温下，CoolSiC™ 的正向压降只有IGBT 的一半，在175℃结温下，CoolSiC™ MOSFET 的正向压降约是IGBT 的80%。在实际器件设计中，CoolSiC™ MOSFET 比IGBT 具有更低的导通损耗。

3）体二极管续流特性

CoolSiC™ MOSFET 的本征二极管有着和SiC肖特基二极管类似的快恢复特性。25℃时，它的Qrr和相同电流等级的G5 SiC 二极管近乎相等。然而，反向恢复时间及反向恢复电荷都会随结温的增加而增加。从图4(a)中我们可以看出，当结温为175℃时，CoolSiC™ MOSFET 的Qrr略高于G5 肖特基二极管。图4(b)比较了650V 41mΩ Si MOSFET 本征二极管和CoolSiC™ MOSFET 本征二极管的性能。在常温及高温下，1200V CoolSiC™ MOSFET 体二极管仅有Si MOSFET 体二极管Qrr的10%。

• 相比其它MOSFET，CoolSiC™ 好在哪儿？

我们已经了解到，SiC 材料虽然在击穿场强、热导率、饱和电子速率等方面相比于Si材料有着绝对的优势，但是它在形成MOS（金属-氧化物-半导体）结构的时候，SiC-SiO2 界面电荷密度要远大于Si-SiO2，这样造成的后果就是SiC表面电子迁移率要远低于体迁移率，从而使沟道电阻远大于体电阻，成为器件通态比电阻大小的主要成分。然而，表面电子迁移率在不同的晶面上有所区别。目前常见的SiC MOSFET 都是平面栅结构，Si-面上形成导电沟道，缺陷较多，电子迁移率低。英飞凌CoolSiC™ MOSFET 采用Trench 沟槽栅结构，导电沟道从水平的晶面转移到了竖直的晶面，大大提高了表面电子迁移率，使器件的驱动更加容易，寿命更长。

SiC MOSFET 在阻断状态下承受很高的电场强度，对于Trench 器件来说，电场会在沟槽的转角处集中，这里是MOSFET 耐压设计的一个薄弱点。英飞凌采用了崭新的非对称沟槽结构，如下图所示。在这个结构中，沟槽左侧有N+源极及P基区，可以形成正常的MOS导电沟道；沟槽的另外一侧大部分都被高掺杂的深P阱包围，在阻断状态下，这个P阱可以减弱施加在沟槽栅氧上的电场强度；在反向续流状态时，可以充当快恢复二极管使用，性能优于常规MOSFET体二极管。

相比于其它SiC MOSFET, CoolSiC™  MOSFET 有以下独特的优势：

a）为了与方便替换现在的Si IGBT，CoolSiC™  MOSFET 推荐驱动电压为15V，与现在Si 基IGBT 驱动需求兼容。CoolSiC™  MOSFET 典型阈值电压4.5V, 高于市面常见的2~3V的阈值电压。比较高的阈值电压可以避免门极电压波动引起的误触发。

b）CoolSiC™  MOSFET 有优化的米勒电容Cgd 与栅源电容Cgs 比值，在抑制米勒寄生导通的同时，兼顾高开关频率。

c）大面积的深P 阱可以用作快恢复二极管，具有极低的Qrr 与良好的鲁棒性。

d）CoolSiC™ MOSFET提供芯片，单管，模块多种产品。单管有TO-247 3pin 和    TO-247 4pin，开尔文接法可以防止米勒寄生导通，并减少开关损耗。模块有EASY1B,EASY 2B, 62mm 等等, 可以覆盖多种功率等级应用。模块采用低寄生电感设计，为并联设计优化，使PCB 布线更容易。

综上所述，CoolSiC™ MOSFET是一场值得信赖的技术革命，凭借它的独特结构和精心设计，它将带给用户一流的系统效率，更高的功率密度，更低的系统成本。英飞凌一直走在SiC技术的最前沿，与用户携手前行，面对碳化硅应用市场的挑战，从容应对，无惧未来。