碳化硅mosfet结构特征-应用优势与Si MOSFET对比分析

什么是碳化硅mosfet

在碳化硅mosfet的(de)(de)(de)开发与(yu)(yu)应用方面，与(yu)(yu)相同功率等级的(de)(de)(de)Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大(da)(da)幅(fu)降(jiang)低，适用于更高的(de)(de)(de)工作频率，另由于其高温工作特性，大(da)(da)大(da)(da)提高了高温稳(wen)定性。

碳化硅mosfet结构

碳(tan)(tan)(tan)化硅mosfet（SiC MOSFET）N+源区和(he)P井(jing)掺杂都是(shi)采用离子注入的方(fang)式，在(zai)(zai)1700℃温度中(zhong)进行退(tui)火激活(huo)。另一个关键的工艺是(shi)碳(tan)(tan)(tan)化硅MOS栅(zha)氧化物的形(xing)成。由于碳(tan)(tan)(tan)化硅材料(liao)中(zhong)同(tong)时有Si和(he)C两(liang)种原子存在(zai)(zai)，需要非常(chang)特(te)殊的栅(zha)介质生长(zhang)方(fang)法。其(qi)沟槽星(xing)结构的优势(shi)如(ru)下：

碳化硅mosfet采用沟槽结构可(ke)最大(da)限度(du)地发挥SiC的特性。

SiC MOSFET的优势

碳(tan)(tan)化硅(gui)mosfet的(de)(de)(de)优势在(zai)哪里？硅(gui)IGBT在(zai)一般情(qing)况下只能工(gong)作在(zai)20kHz以(yi)下的(de)(de)(de)频(pin)率。由(you)于受(shou)到材料(liao)的(de)(de)(de)限制，高(gao)(gao)压(ya)高(gao)(gao)频(pin)的(de)(de)(de)硅(gui)器(qi)(qi)件(jian)(jian)无法实现。碳(tan)(tan)化硅(gui)MOSFET不仅(jin)适合于从600V到10kV的(de)(de)(de)广泛电压(ya)范围，同(tong)时具(ju)(ju)备(bei)单极(ji)型器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)卓越开关性能。相(xiang)比于硅(gui)IGBT，碳(tan)(tan)化硅(gui)MOSFET在(zai)开关电路中不存在(zai)电流(liu)拖(tuo)尾的(de)(de)(de)情(qing)况具(ju)(ju)有更低(di)的(de)(de)(de)开关损耗和更高(gao)(gao)的(de)(de)(de)工(gong)作频(pin)率。

20kHz的碳化(hua)硅(gui)MOSFET模块的损耗可(ke)以(yi)比(bi)3kHz的硅(gui)IGBT模块低一半， 50A的碳化(hua)硅(gui)模块就(jiu)可(ke)以(yi)替换150A的硅(gui)模块。显示了碳化(hua)硅(gui)MOSFET在(zai)工(gong)作频率和效率上的巨大优势。

碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)MOSFET寄生体(ti)二(er)极管具有极小(xiao)的(de)反(fan)(fan)(fan)向恢(hui)(hui)复时(shi)间trr和反(fan)(fan)(fan)向恢(hui)(hui)复电荷(he)Qrr。如(ru)图(tu)所示，同一额(e)定电流900V的(de)器件，碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)MOSFET 寄生二(er)极管反(fan)(fan)(fan)向电荷(he)只有同等电压规格硅(gui)基MOSFET的(de)5%。对于桥式电路来说(shuo)（特别当(dang)LLC变换(huan)器工(gong)作在高于谐振(zhen)频(pin)率的(de)时(shi)候），这(zhei)个指标非常关键(jian)，它可以减小(xiao)死区时(shi)间以及体(ti)二(er)极管的(de)反(fan)(fan)(fan)向恢(hui)(hui)复带(dai)来的(de)损耗(hao)和噪音，便于提高开关工(gong)作频(pin)率。

碳化硅mosfet的应用

碳化硅mosfet模块(kuai)在光伏、风电(dian)(dian)、电(dian)(dian)动(dong)(dong)汽车及轨道交(jiao)通等(deng)中高功率电(dian)(dian)力系统应(ying)用上具(ju)有巨大的(de)(de)优(you)势(shi)。碳化硅器件(jian)的(de)(de)高压高频和高效率的(de)(de)优(you)势(shi)，可以突破现有电(dian)(dian)动(dong)(dong)汽车电(dian)(dian)机(ji)设计上因(yin)器件(jian)性(xing)能而受到(dao)的(de)(de)限制(zhi)，这是目(mu)前国内外电(dian)(dian)动(dong)(dong)汽车电(dian)(dian)机(ji)领域研(yan)发的(de)(de)重点。如(ru)电(dian)(dian)装和丰(feng)田合(he)作开发的(de)(de)混合(he)电(dian)(dian)动(dong)(dong)汽车（HEV）、纯电(dian)(dian)动(dong)(dong)汽车（EV）内功率控制(zhi)单元(yuan)（PCU），使用碳化硅MOSFET模块(kuai)，体(ti)积比(bi)减小到(dao)1/5。

三菱开发的(de)EV马达驱(qu)动系统，使(shi)用SiC MOSFET模块，功(gong)率驱(qu)动模块集成到了电(dian)机(ji)内，实(shi)现了一(yi)体化和小型化目标。预计在(zai)2018年(nian)-2020年(nian)碳化硅MOSFET模块将广泛应用在(zai)国内外(wai)的(de)电(dian)动汽车上。

碳化硅mosfet分类

SiC-MOSFET 是(shi)碳化硅电力电子器件研究中(zhong)最受(shou)关注的器件。成果(guo)比(bi)较(jiao)突出(chu)的就(jiu)是(shi)美国的Cree公(gong)司(si)和(he)日(ri)本的ROHM公(gong)司(si)。

在Si材(cai)(cai)料已(yi)经接(jie)近(jin)理论性能极限的(de)(de)今天，SiC功(gong)(gong)率(lv)器(qi)(qi)件(jian)(jian)因其高(gao)耐压(ya)、低损耗(hao)、高(gao)效(xiao)率(lv)等特性，一直(zhi)被视为(wei)“理想(xiang)器(qi)(qi)件(jian)(jian)”而备(bei)受(shou)期(qi)待。然而，相对于以往的(de)(de)Si材(cai)(cai)质器(qi)(qi)件(jian)(jian)，SiC功(gong)(gong)率(lv)器(qi)(qi)件(jian)(jian)在性能与成本间的(de)(de)平(ping)衡(heng)以及(ji)(ji)其对高(gao)工艺的(de)(de)需求，将成为(wei)SiC功(gong)(gong)率(lv)器(qi)(qi)件(jian)(jian)能否真正普及(ji)(ji)的(de)(de)关键。

碳化硅mosfet与其他相比

SiC材料与目前应(ying)该(gai)广泛的(de)(de)Si材料相比，较(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)热导率(lv)决定(ding)了(le)其高(gao)(gao)电流(liu)密(mi)度的(de)(de)特性，较(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)禁带宽(kuan)度又决定(ding)了(le)SiC器件的(de)(de)高(gao)(gao)击穿(chuan)场强和高(gao)(gao)工作(zuo)温度。其优点(dian)主要可以(yi)概括为以(yi)下几(ji)点(dian)：

1) 高温工作

SiC在物理特(te)性上拥有高度稳定的(de)(de)晶体结构(gou)，其能带(dai)宽度可达2.2eV至(zhi)3.3eV，几乎是Si材料的(de)(de)两倍以上。因此，SiC所(suo)能承受的(de)(de)温度更高，一(yi)般而(er)言，SiC器件所(suo)能达到的(de)(de)最大工作温度可到600 oC。

2) 高阻断电压

与Si材料相比，SiC的击穿场强(qiang)是Si的十倍多，因此SiC器件(jian)的阻断电压比Si器件(jian)高很多。

3) 低损耗

一般而言，半导(dao)体(ti)器件(jian)的(de)导(dao)通损(sun)耗与其击穿场(chang)强成反(fan)比，故(gu)在相(xiang)似的(de)功(gong)率(lv)等级下，SiC器件(jian)的(de)导(dao)通损(sun)耗比Si器件(jian)小很(hen)多。且(qie)SiC器件(jian)导(dao)通损(sun)耗对温度(du)的(de)依存度(du)很(hen)小，SiC器件(jian)的(de)导(dao)通损(sun)耗 随温度(du)的(de)变化很(hen)小，这(zhei)与传统的(de)Si器件(jian)也(ye)有很(hen)大差别。

4) 开关速度快

SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍(bei)(bei)，饱和电子漂移率(lv)(lv)是Si的2倍(bei)(bei)，所以SiC器(qi)件能在更高的频率(lv)(lv)下工(gong)作(zuo)。

综合以上优点，在相同的功率(lv)等级下，设备中功率(lv)器件(jian)的数(shu)量、散热器的体积、滤波元件(jian)体积都能大(da)大(da)减(jian)小，同时效率(lv)也有大(da)幅度的提升。

在碳(tan)化硅(gui)mosfet的(de)开(kai)发与应(ying)用方面，与相(xiang)同(tong)功(gong)率(lv)等级的(de)Si MOSFET相(xiang)比，SiC MOSFET导(dao)通电(dian)阻、开(kai)关损耗大幅(fu)降低，适用于(yu)(yu)更高的(de)工(gong)作频率(lv)，另由于(yu)(yu)其高温工(gong)作特性，大大提高了高温稳定(ding)性。

碳化硅mosfet应用技术

1、碳化硅(SiC)MOSFET 建模

虽然碳化硅mosfet比(bi)传统的(de)(de)Si MOSFET有(you)很多优点，但其(qi)昂(ang)贵的(de)(de)价格却限制了SiC MOSFET的(de)(de)广(guang)泛应用。近年来(lai)随着SiC技(ji)术的(de)(de)成熟，SiC MOSFET的(de)(de)价格已经有(you)了显著(zhu)的(de)(de)下降，应用范围(wei)也进一步扩展，在不久的(de)(de)将来(lai)必(bi)将成为新一代(dai)主流(liu)的(de)(de)低损(sun)(sun)耗功率(lv)器(qi)件(jian)。 在实(shi)际的(de)(de)工程(cheng)应用及(ji)设计开(kai)发过(guo)程(cheng)中，经常需(xu)要(yao)对SiC MOSFET的(de)(de)开(kai)关(guan)特性(xing)(xing)、静态特性(xing)(xing)及(ji)功率(lv)损(sun)(sun)耗进行分析(xi)，以便对整(zheng)个系(xi)统的(de)(de)效率(lv)做(zuo)有(you)效的(de)(de)评估。因此，有(you)必(bi)要(yao)建(jian)立一个精确的(de)(de)SiC MOSFET模型作为工程(cheng)应用中系(xi)统分析(xi)和效率(lv)评估的(de)(de)基础(chu)。

2、碳化硅mosfet的驱动

由(you)于SiC MOSFET器件特性与传统的Si MOSFET有(you)较大差别，SiC MOSFET驱(qu)动(dong)电(dian)路也是一项研究的重(zhong)点。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生电(dian)容更小。

综上(shang)所述，结合SiC MOSFET本身(shen)的(de)特点(dian)及优势，其驱动电路的(de)设(she)计应满足(zu)以下要(yao)求：

1) 满(man)足(zu)SiC MOSFET高速开(kai)关的要求，使用驱(qu)动能力较强的驱(qu)动芯片。

2) 尽量(liang)减小驱动电(dian)路寄生(sheng)电(dian)感的影响，在PCB布(bu)局时应加(jia)入(ru)适量(liang)的吸(xi)收电(dian)容。

3) 为保证SiC MOSFET的可靠关断(duan)，避免噪声干扰可能导致的误开通(tong)，应采用负(fu)压关断(duan)。

3、双有源桥(DAB)研究及应用

双有源桥(DAB)作为大(da)功(gong)(gong)率隔离(li)双向(xiang)DC-DC变换器(qi)(qi)的一种，其拓(tuo)扑最(zui)早由DeDoncker于(yu)1988年提出DAB主(zhu)要应用于(yu)HEV中蓄电池侧与(yu)高(gao)压(ya)直(zhi)流母线之间的双向(xiang)能(neng)量(liang)(liang)传(chuan)输、航(hang)空电源系统及(ji)新(xin)能(neng)源系统中，与(yu)其他大(da)功(gong)(gong)率隔离(li)双向(xiang)DC-DC变换器(qi)(qi)相(xiang)比，DAB的最(zui)大(da)优势是(shi)其功(gong)(gong)率密度大(da)，且体积重(zhong)量(liang)(liang)相(xiang)对(dui)较小。

DAB结构对称，两边各(ge)由全(quan)桥(qiao)结构的(de)拓(tuo)扑构成，可实现能(neng)量的(de)双向传输(shu)，且(qie)能(neng)实现两侧(ce)的(de)电气(qi)隔离。开关(guan)管应力较低，且(qie)没(mei)有(you)额外的(de)滤(lv)波电感，仅通过(guo)变压器(qi)(qi)的(de)漏感作(zuo)为能(neng)量传输(shu)单元(yuan)，变换器(qi)(qi)可实现很(hen)高的(de)功率密度。电流纹(wen)波不是很(hen)大，对输(shu)入输(shu)出侧(ce)的(de)滤(lv)波电容(rong)的(de)要求不是很(hen)高。DAB在一定功率范围内(nei)可以(yi)实现ZVS软开关(guan)，这样(yang)DAB的(de)工(gong)作(zuo)频率就可以(yi)设置得较高，可进(jin)一步减小变压器(qi)(qi)和滤(lv)波电容(rong)的(de)体积，提(ti)高功率密度。

传(chuan)统的DAB一般采用(yong)移相控制(zhi)，其中φ为(wei)移相角，变(bian)压器(qi)原副(fu)边匝比设为(wei)n。当(dang)(dang)功(gong)率从VL流(liu)向VH时，开关管Q1、Q4超前(qian)Q5、Q8；当(dang)(dang)功(gong)率从VH流(liu)向VL时，开关管Q5、Q8超前(qian)Q1、Q4。但传(chuan)统控制(zhi)策略下的DAB有诸多问(wen)题，比如软开关范围(wei)窄、轻载时功(gong)率回(hui)流(liu)现象严重、电(dian)压输入范围(wei)窄等。

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