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安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 靜態(tài)特性分析

發(fā)布時間:2023-07-13 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】SiC MOSFET 在功率半導(dǎo)體市場中正迅速普及,因為它最初的一些可靠性問題已得到解決,并且價位已達到非常有吸引力的水平。隨著市場上的器件越來越多,必須了解 SiC MOSFET 與 IGBT 之間的共性和差異,以便用戶充分利用每種器件。本系列文章將概述安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的關(guān)鍵特性及驅(qū)動條件對它的影響,作為安森美提供的全方位寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)的一部分,還將提供 NCP51705(用于 SiC MOSFET 的隔離柵極驅(qū)動器)的使用指南。本文為第一部分,將重點介紹安森美M 1 1200 V SiC MOSFET的靜態(tài)特性。


碳化硅 (SiC) 是用于制造分立功率半導(dǎo)體的寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體材料系列的一部分。如表 1 所示,傳統(tǒng)硅 (Si) MOSFET 的帶隙能量為 1.12 eV,而 SiC MOSFET 的帶隙能量則為 3.26 eV。


SiC 和氮化鎵 (GaN) 具有更寬的帶隙能量,意味著將電子從價帶移動到導(dǎo)帶需要大約 3 倍的能量,從而使材料的表現(xiàn)更像絕緣體而不像導(dǎo)體。這使得 WBG 半導(dǎo)體能夠承受更高的擊穿電壓,其擊穿場穩(wěn)健性是硅的 10 倍。對于給定的額定電壓,較高的擊穿場可以減小器件的厚度,從而轉(zhuǎn)化為較低的導(dǎo)通電阻和較高的電流能力。SiC 和 GaN 都具有與硅相同數(shù)量級的遷移率參數(shù),這使得兩種材料都非常適合高頻開關(guān)應(yīng)用。SiC 的熱導(dǎo)率是硅和 GaN 的三倍。對于給定的功耗,較高的熱導(dǎo)率將轉(zhuǎn)化為較低的溫升。


特定所需擊穿電壓的 RDS(ON)是 MOSFET的一部分,它與遷移率乘以臨界擊穿場的立方成反比。即使 SiC 的遷移率低于硅,但其臨界擊穿場高 10 倍,導(dǎo)致給定擊穿電壓的 RDS(ON)要低得多。


商用 SiC MOSFET 的保證最高工作溫度為 150℃< TJ< 200℃。相比之下,可以實現(xiàn)高達 600℃ 的 SiC 結(jié)溫,但其主要受鍵合和封裝技術(shù)的限制。這使得 SiC 成為適用于高壓、高速、高電流、高溫、開關(guān)電源應(yīng)用的優(yōu)質(zhì) WBG 半導(dǎo)體材料。


表 1:半導(dǎo)體材料屬性

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SiC MOSFET 通常在 650 V < BVDSS < 1.7 kV 范圍內(nèi)可用。盡管 SiC MOSFET 的動態(tài)開關(guān)行為與標(biāo)準硅 MOSFET 非常相似,但必須考慮其器件特性決定的獨特柵極驅(qū)動要求。


靜態(tài)特性


阻斷電壓能力


安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的額定電壓為 1200 V,具有每個特定器件的數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大零柵極電壓漏極電流 (IDSS)。然而,SiC MOSFET 的阻斷電壓能力會隨著溫度的升高而降低。以 1200 V 20 m SiC MOSFET 電源模塊為例,與 25℃ 時的值相比,?40℃ 時阻斷電壓 (VDS) 的典型降額約為 11%。即使安森美的器件通常留有一些裕度,在設(shè)計期間,也應(yīng)考慮 VDS 的降額,尤其是在器件將在極低溫度下運行時。在圖 1 中可以看到擊穿電壓與溫度的典型分布。


重要提示:這些是典型的參考值,無法保證一定會實現(xiàn),請參考數(shù)據(jù)表中的值或聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)支持人員。


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圖 1:VDS 與溫度的典型分布


RDS(ON) 特性和驅(qū)動安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的推薦 VGS


與硅相關(guān)產(chǎn)品相比,SiC MOSFET 的主要區(qū)別之一是漏極-源極電壓 (VDS) 與特定漏極電流 (ID) 的柵源電壓 (VGS) 的相關(guān)性,并且在這個安森美 1200 V SiC MOSFET 中也不例外。圖 2 顯示傳統(tǒng)的 Si MOSFET 在線性(歐姆)和有源區(qū)(飽和)之間顯示出明顯的過渡。另一方面,參見圖 3,SiC MOSFET 并不會出現(xiàn)這種狀況,實際上沒有飽和區(qū),這意味著 SiC MOSFET 的表現(xiàn)更像是可變電阻,而不是非理想型的電流源。


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圖 2:SJ MOSFET 的典型靜態(tài)特性圖片圖片


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圖 3:安森美 1200 V SiC MOSFET M 1 的典型靜態(tài)特性


在選擇適當(dāng)?shù)?VGS 時需要考慮的一個重要方面是,與硅基器件不同,當(dāng) VGS 增加時,即使在相對較高的電壓下,SiC MOSFET 也仍會表現(xiàn)出 RDS(ON)的顯著改善。這可以從圖 3 中看出:當(dāng) VGS增加時,曲線向左移動。如果我們看一下圖 2,當(dāng) VGS >> VTh 時,Si MOSFET 的 RDS(ON) 未表現(xiàn)出顯著改善,因此,大多數(shù) Si MOSFET 通常以 VGS≤ 10 V 驅(qū)動。因此,如果用 SiC 替換 Si MOSFET,建議修改驅(qū)動電壓。盡管 10 V 高于 SiC MOSFET 的典型閾值電壓,但在如此低的 VGS 下的傳導(dǎo)損耗很可能會導(dǎo)致器件的熱失控。這是建議使用 VGS ≥ 18 V 來驅(qū)動安森美 1200 V M 1 SiC MOSFET 的原因之一。


如果選擇的電壓過高,則會在柵極氧化物中引入更高的應(yīng)力,這可能導(dǎo)致長期可靠性問題或關(guān)鍵特性變化,如 VTH 漂移。在資質(zhì)認定階段,安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 經(jīng)過大量測試,以確定 + 25 V 的最大柵極電壓。例如,在圖 4 中,正柵極偏壓應(yīng)力測試的結(jié)果以綠色顯示。與其他供應(yīng)商相比,安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 在持續(xù)施加 + 25 V 電壓時表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。


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圖 4:正柵極偏壓應(yīng)力測試。測試條件:VGS = 25 V,T = 175℃


即使采用最佳布局和最少電感封裝,也無法避免管芯柵極處的瞬態(tài)電壓尖峰。為了不超過 + 25 V 的勢壘,建議最大向 MOSFET 施加 VGS ≤ 20 V 的恒定電壓。


RDS(ON),溫度相關(guān)性


需要考慮的另一個因素是 SiC MOSFET 的溫度系數(shù)。在低溫下,SiC MOSFET 通常呈現(xiàn)負溫度系數(shù) (NTC),直到其達到某一溫度并開始具有正溫度系數(shù) (PTC)。這個轉(zhuǎn)折點受 VGS 影響。在較低的 VGS 下,NTC 會一直持續(xù)到較高的溫度,而如果這個電壓增加,則轉(zhuǎn)折點將在較低的溫度下發(fā)生。在圖 5 中,可以看出安森美 M 1 SiC MOSFET 在不同 VGS 下 RDS(ON) 與溫度的典型相關(guān)性。如果我們觀察 VGS = 15 V 時的曲線,NTC 在負溫度下非常陡峭,在大約 50℃ 時仍然明顯,這導(dǎo)致高溫下的 RDS(ON) 在所有情況下都低于負溫度下的 RDS(ON)。如果兩個組件并聯(lián)切換,就像我們的許多電源模塊一樣,其中一個組件可能會過載,特別是當(dāng)器件在負環(huán)境溫度下啟動時,可能會導(dǎo)致熱失控。如果 VGS 增加,此現(xiàn)象將得到糾正。在 18 V 時,溫度系數(shù)的轉(zhuǎn)折點約為 25℃,在 100℃ 時,RDS(ON) 值已經(jīng)高于 ?40℃ 時的值,這使其成為并聯(lián)切換器件的安全電壓,即使在寒冷的環(huán)境中使用也是如此。


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圖 5:不同 VGS 下 RDS(ON) 的溫度相關(guān)性


為了計算 SiC MOSFET 器件的靜態(tài)損耗或為了比較不同的供應(yīng)商,不僅要查看器件在 25℃ 時的 RDS(ON)(通常在出于營銷目的而定義器件時使用),還要查看目標(biāo)應(yīng)用溫度下的 RDS(ON)。如前一段所述,在某個轉(zhuǎn)折點之后,SiC MOSFET 會具有 PTC。個中好處已經(jīng)解釋過了,但如果系數(shù)很高,25℃ 和應(yīng)用中實際溫度下的 RDS(ON)之間的差異會變得非常關(guān)鍵,導(dǎo)致在目標(biāo)工作溫度下的傳導(dǎo)損耗顯著增加。在選擇 SiC MOSFET 時需要考慮這一點。


當(dāng)溫度升高時,安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 在 RDS(ON)方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。圖 6 顯示了在不同漏極電流 (ID) 下,20 m 器件在 25℃ 和 150℃ 時的差異。當(dāng) ID = 50 A 時,RDS(ON) 增加了 33%,這足以確保良好的并聯(lián)工作,且不會導(dǎo)致靜態(tài)損耗顯著增加。


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圖 6:1200 V、20 mΩ SiC MOSFET 電源模塊在不同溫度下的 VDS 與 ID


選擇負柵極偏壓


到目前為止,已經(jīng)討論了用于定義正柵極偏壓的不同參數(shù)。結(jié)論是,安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的 VGS 在靜態(tài)操作期間應(yīng)設(shè)置為 + 18 V ≤ VGS ≤ 20 V,而在動態(tài)瞬態(tài)中不應(yīng)超過 + 25 V。但如何定義負柵極偏壓呢?當(dāng)然,該值應(yīng)足夠低,以確保器件正確關(guān)閉,同時避免在那些容易產(chǎn)生直通電流的拓撲(如半橋)中出現(xiàn)寄生導(dǎo)通。


就 VTH 而言,目前市場上有兩種類型的 SiC MOSFET,即典型值高于 3.5V 的高閾值電壓 SiC MOSFET 和典型值低于 3V 至 3.5V 的低閾值電壓 SiC MOSFET。安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 屬于第二類,其典型 VTH 值在 2.75 V 的范圍內(nèi)(各個器件的具體值見數(shù)據(jù)表)。該值隨溫度變化,可能低至 1.8 V,也可能高達 4.3 V。


在可能產(chǎn)生直通電流的應(yīng)用中,建議使用 ? 5 V 的負柵極偏壓,以留有足夠的安全裕度,避免寄生導(dǎo)通,尤其是在較高的開關(guān)頻率下。將負 VTH 設(shè)置為 ? 5 V 還應(yīng)給予足夠的裕度,以避免瞬態(tài)柵極電壓低于在 ?15 V 設(shè)置的最小限值。


在直通電流風(fēng)險不存在(即升壓器拓撲)或借助現(xiàn)有技術(shù)而降低(即用寄生電感解耦半橋輸出)的情況下,負柵極偏壓可以增加到高達 0V 的任何安全值。這對器件的性能有其他影響,將在下一章進行討論。


與正柵極偏壓一樣,具有非常低的負柵極偏壓可能會觸發(fā) SiC 晶體的缺陷,導(dǎo)致可靠性問題或關(guān)鍵參數(shù)的修改,例如 VTH 或 RDS(ON) 漂移,這在談?wù)撠摉艠O偏壓和當(dāng)前可用的 SiC 溝槽 MOSFET 時尤其關(guān)鍵。為了防止這些問題,安森美在設(shè)計中考慮了這一點,并對 M 1 1200 V SiC MOSFET 進行了大量的靜態(tài)和動態(tài)測試,以確認沒有漂移。圖 7 顯示了靜態(tài)負柵極偏壓的結(jié)果及其在 VTH 方面的影響。此外,我們的生產(chǎn)線還進行了老化測試,以限制過早發(fā)生故障的情況。


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圖 7:負柵極偏壓應(yīng)力測試。測試條件:VGS = -20 V,T = 175 ℃


體二極管正向電壓 (Vf) vs. VGS


眾所周知,與其他類型的二極管相比,SiC MOSFET 的體二極管具有較高的正向電壓。在使用 SiC MOSFET 時應(yīng)考慮這一特性,通常,不建議在許多拓撲的死區(qū)時間之外使用,以避免高損耗。減少體二極管使用的一種有效方式是在需要反向?qū)〞r激活 MOSFET 的溝道。這樣做可以顯著減少損耗。


但是,對于在激活溝道之前需要死區(qū)時間的拓撲,即同步整流中的典型半橋,無法有效地停用體二極管,因為需要更多器件和/或修改電流路徑。此外,即使采取許多預(yù)防措施,也可能無法完全避免在死區(qū)時間使用體二極管。安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 可以使用體二極管,且不會導(dǎo)致可靠性下降或 MOSFET 主要參數(shù)出現(xiàn)重大漂移。


考慮到這一點,必須要知道 VGS 將對體二極管的靜態(tài)性能產(chǎn)生影響。圖 8 顯示了當(dāng)應(yīng)用不同的 VGS 時,安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的體二極管與正向電流 (If) 的 Vf相關(guān)性。如圖所示,當(dāng)負柵極偏壓減小時,Vf 略微增加。此圖具有一些誤導(dǎo)性,因為它可能會讓用戶得出將 VGS 設(shè)置為 0 V 是最佳解決方案的結(jié)論。然而,這個 Vf 較低的原因是 MOSFET 的溝道處于微導(dǎo)通狀態(tài),所以外部看起來 Vf較低的實際上是從體二極管接收部分電流的溝道。當(dāng)二極管停止導(dǎo)通時,溝道仍將保持微導(dǎo)通。根據(jù)開關(guān)拓撲,這可能會對總損耗產(chǎn)生負面影響,并增加泄漏。此外,在 0 V 時,開關(guān)損耗將急劇增加,具體稍后會進行解釋。這種現(xiàn)象在 SiC 技術(shù)中很常見,可以通過將 VGS 降低到 ?5 V 來避免。


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圖 8:20 mΩ、1200 V SiC MOSFET 模塊中不同 VGS 的 Vf 與 If


VTH,溫度相關(guān)性


在前幾章中,已經(jīng)介紹了當(dāng)施加正或負柵極偏壓時的 VTH 漂移。影響 VTH 的另一個因素是溫度。與所有 MOSFET 一樣,安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 具有負溫度系數(shù)。結(jié)果是,VTH 可以從 25℃ 時的約 2.6 V 典型值降低到 175℃ 時的 1.8 V。圖 9 顯示了 40 mΩ 器件在不同溫度下的典型 VTH 值。在設(shè)計柵極驅(qū)動器電路時必須考慮這一點,以避免不必要的寄生導(dǎo)通。再次重申,應(yīng)在實際應(yīng)用溫度下考慮此數(shù)據(jù)。例如,與 125℃ 時相比,室溫下柵極處的 2 V 電壓尖峰觸發(fā)寄生導(dǎo)通的可能性更低。


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圖 9:40 mΩ、1200 V SiC MOSFET 中的典型 VTH 值與溫度


為了在對寄生導(dǎo)通敏感的拓撲(如半橋)中保持安全裕度。建議在器件關(guān)閉時設(shè)置負 VGS



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