前言: 對於高壓開關電源的應用,碳化矽(SIC-MOSFET)對比傳統矽(SI-MOSFET)或IGBT，相比具有顯著的優勢。在開關超過1,000V的高壓應用下，切換頻率以數百kHz運行並非易事，即使是最好的超結矽MOSFET也難以勝任。 在傳統應用下，IGBT很常被使用在各種應用，但由於其存在拖尾電流的特性，且關斷緩慢，因此適合用於較低的工作頻率。因此,矽MOSFET更適合低壓、高頻操作，而IGBT更適合高壓、大電流、低頻應用。而SIC-MOSFET則很好地兼顧了高壓、高頻和開關性能的優勢。它是電壓控制的場效應器件，能夠進行高壓開關，同時開關頻率等於或高於低壓SI-MOSFET的開關頻率。 SiC MOSFET驅動條件與材料特性: SIC-MOSFET具有獨特的柵極驅動要求。一般來說,它在導通期間需要一個20V的柵極驅動能力來提供盡可能低的導通電阻。與對應的矽器件相比，它具有更低的跨導、更高的內部柵極電阻，且柵極導通閡值可低於2V。因此，在關斷期間，柵極必須拉低至負電壓(通常為-5V)。本文重點了解SIC-MOSFET特有的器件特性，並以導通特性來確認柵極驅動優化的關鍵需求。 碳化矽(SIC)屬於寬禁帶(WBG)半導體材料系列，適用於製造分立功率半導體。如下表所示:
這意味著將電子從價帶移動到導帶需要大約3倍的能量，使材料的表現更像絕緣體而不像導體。這使得WBG半導體能夠承受更高的擊穿電壓，其擊穿場穩定度是矽的10倍。對於給定的額定電壓，較高的擊穿場能力可以減小器件的厚度，從而轉化為較低的導通電阻和較高的電流能力。 另外SiC最與眾不同的是其熱導率高出3倍以上。對於給定的功耗，較高的熱導率將轉化為較低的溫升。相應地，SIC結溫最高可以達到600%C，但其主要受鍵合和封裝技術的限制。(一般商用SIC-MOSFET的最高保證工作溫度多為150C<TJ<200C。) 這使得SIC成為適用於高壓、高速、高電流、高溫、開關電源應用的優質 WBG半導體材料。 半導體材料屬性: SIC-MOSFET 通常適用於電壓範圍650V<VDss<1.7kV。在650V的較低範圍內， 傳統的SI-MOSFET可能表現會優於SIC。但是考慮使用較低電壓的SIC-MOSFET 的原因之一可能是利用其出色的導熱特性。儘管SIC-MOSFET的開關行為與標準SI-MOSFET非常相似，但由於其材料特性，就必須要考慮到其獨特的柵極驅動要求。 SIC MOSFET 開關特性:(跨導gm) 開關電源中使用的SI-MOSFET在兩種工作模式之間盡可能快地開關操作。當柵極-源極電壓 VGS小於柵極閡值電壓時(VTH)，電晶體處於高阻狀態，此時被稱為截止區域。在截止期間，漏極-源極電阻(RDSon)是高阻抗狀態，漏極電流ID=0A。 飽和區發生在MOSFET完全增強時，即VGS>VTH、此時(RDSon)為最小值或接近最小值，而ID達到最大值，器件此時處於導通狀態。
如上圖中紅色軌跡所示、線性區和飽和區之間的轉換非常明顯，因此一旦VGS>VTH、漏極電流就會通過相對較低的RDS。而跨導(gm)即為電流變化量與柵極電壓變化量之比。可用它定義MOSFET的輸出輸入增益，也就是I-V輸出特性曲線的斜率。SI-MOSFET的I-V曲線在線性區的斜率很陡峭，而在飽和區時幾乎是平的，因此在VGS>VTH時具有非常高的增益(gm)。這意味著矽SI-MOSFET在飽和時表現得很像一個非理想的電流源。 相反、在圖1中顯示的輸出特性曲線(黑線部分)可以看出，SIC-MOSFET在線性和飽和工作模式之間的轉換並不劇烈。甚至沒有明顯定義的飽和區，從這個角度看，SIC-MOSFET的行為更像可變電阻而不是非理想的電流源。 SIC-MOSFET的I-V 輸出特性未表現出小VGS時出現大ID，因此SIC-MOSFET被認為是低增益(gm)器件。從上圖可看出，唯一彌補低增益並強制大幅改變ID的方法是施加非常大的VGS，且施加大的VGS電壓又對RDS降低有很大影響。 為了進一步說明這一點,可以參考上圖中標記為A和B的兩個工作點。 Rds(A)=8.75 V/20 A=438m (Vgs=12V) (eq.1) Rds(A)=3.75 V/20 A=188m (VGs=20V) (eq.2) 當VGs=12V時,固定的漏極電流ID=20A會導致VDS=8.75V，而當VGS增加到20V時，VDS=3.75V。將公式(1)和(2)的結果進行比較，可明顯發現在VGS=12V 時電阻和導通損耗是在VGs=20V時的2.3倍。因此,當施加的較大的柵極-源極電壓在18V<VGs20V之間時，SIC-MOSFET的性能最佳，有些器件甚至可以高達 VGs=25 SIC-MOSFET，而在低VGS下運行可能會導致熱應力或可能由於高RDS而導致故障。 SIC MOSFET 開關特性:(導通電阻RDS) 作為WBG半導體，SIC-MOSFET在給定電壓下每單位面積的導通電阻較低。其導通電阻由幾個內部與VGS有關的電阻元件組成。最值得注意的是通道電阻(RCH)、和漂移區域電阻(RDRIFT)。 RCH 具有負溫度係數(NTC)，在VGS較低時佔據了RDS的主導地位。相反、RDRIFT 具有正溫度係數(PTC) ，在VGS較高時占主導地位。
而對於一般 VGs>18V狀態下，導通電阻則具有明顯的PTC特性。然而，在較低的 VGS下，導通阻與結溫特性呈現抛物線形狀，如上圖所示。例如在VGs=14V時，RCH占主導地位，RDs呈現出NTC特性。即電阻隨溫度升高而降低。這種SIC-MOSFET的特性直接歸因於其低gm。對於SI-MOSFET，只要VGs>VTH、RDS始終具有PTC特性。 對於大多數大電流應用案例，當兩個或更多SI-MOSFET並聯放置時，PTC屬性在很大程度上依賴於均流。在並聯運行期間，當一個SI-MOSFET的結溫升高時，PTC會導致RDS增加至使電流降低、並迫使並聯的SI-MOSFET承受額外的電流，直到出現自然平衡。但如果兩個或多個SIC-MOSFET並聯放置，同時以VGS(負NTC)電壓工作，結果將是災難性的。因此、為確保可靠的NTC操作，只有當VGS足夠高時才建議使用SIC-MOSFET之間的並聯操作(通常VGS>18V)。 SIC MOSFET 開關特性:(內部柵極電阻RG) 內部柵極電阻(RG)與晶片尺寸成反比，對於給定的擊穿電壓，由於SIC-MOSFET晶片相較於SI-MOSFET晶片小得多，內部柵極電阻往往更高。而更小的SIC-MOSFET晶片的好處在於嘿有更低的輸入電容CISS，也意味著所需的柵極電荷QG更低。 下表2重點表列了不同製造商的SIC-MOSFET (SiC_1和SiC_2)和兩個900V和650V 的SI-MOSFET (Si_1和Si_2)的幾個重要參數來作比較。
從柵極驅動的角度來看，比較RGI X CISS時間常數是很有意義的。Si_2器件具有極低的時間常數(35ns)，但他也是一個額定電流/電壓都較低的MOSFET器件。 由於SiC_1的QG較低,因此Si_1和SiC 1之間的時間常數非常接近，即使SiC_1的內部柵極電阻是Si_1的7倍。內部柵極電阻限制了可以注入Ciss的柵極驅動電流。 高性能SIC柵極驅動電路需要提供極低的輸出阻抗，這樣驅動器就不會因為已經很高的RGI而成為限制因素。這使得設計人員可以通過增加或減少外部柵極電阻來更加自由地控制VDs和dV/dt的轉換。 SIC MOSFET 開關特性:(柵極電荷QG) 當對MOSFET施加VGS時，會傳輸一定量的電荷，但由於 MOSFET內部電容是非線性的，因此VGS與柵極電荷(QG)曲線有助於確定對於給定的電壓水準需要傳遞多少電荷。SIC-MOSFET的典型柵極電荷曲線如圖所示。
特別的是，SIC-MOSFET的米勒平臺區域出現在更高的VGS，且並且不像SI-MOSFET那樣平坦。一個非平坦的米勒平臺區域意味著VGS在相應的電荷範圍下QG不是恒定的。 還值得注意的是，QG=0nC並不出現在VGs=0V時。VGS必須將電拉低至負電壓才能使SIC-MOSFET的極完全放電(以圖內範例中為-5V)。 在關斷期間將柵極切換為負電壓的第二個原因是，最壞情況下的VTH可能低至1V。在OV<VGS<VDD之間切換VGS且VTH~1V的情況下，可以避免因意外的的柵極雜訊致使器件不慎導通。 因此，幾乎所有SIC-MOSFET都希望VGS處於低壓範圍(5V<VGS<-2V) 。 因SIC-MOSFET材料特性,要對柵極驅動方式優化已達到更好的材料特性.且為了補償低增益並實現高效且高速開關，SiC柵極驅動電路需要滿足幾項關鍵要求:
因SIC-MOSFET驅動特性與SI-MOSFET要求不同，很適合直接使用集成式柵極驅動器，藉此獲得最佳SIC-MOSFET操作特性。例如onsemi分立式NCP51705 SIC柵極驅動器，就是一種具有高度的靈活性和高集成性，使其與市場上的任何SIC-MOSFET完全相容搭配使用。其高達28V的VDD正電源電壓可滿足寬範圍驅動電壓需求。高峰值輸出電流可達6A驅動電流和10A關斷電流能力。有獨立的信號地和電源地讓電路布局更加容易。具有獨立的驅動電流和關斷電流引腳。且驅動器內部包含熱關斷保護等功能，皆能滿足SIC-MOSFET材料所需的驅動特性。 結論: 本文重點介紹了在設計高性能柵極驅動電路時必須考慮的SIC-MOSFET的一些特性。對於柵極驅動來說，與SIC-MOSFET相關的低gm或不那麼大的跨導特性尤其棘手。一般通用型柵極驅動器經常被使用，但缺乏高效且可靠地驅動SiC-MOSFET 的功能。SIC-MOSFET仍適合使用專用SiC柵極驅動器。如NCP51705為設計人員提供了一種簡單、高性能、高速的解決方案,可以高效且可靠地驅動SIC-MOSFET。 |
