碳化硅MOSFET优势分析 具体有哪些优势详解

碳化硅MOSFET有哪些优势？

（一）开关损耗

碳化硅MOSFET有哪些优势，下图1是1200V HighSpeed3 IGBT(IGW40N120H3) 与CoolSiC^TM 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^TM 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^TM MOSFET 关断损耗大约是IGBT 的20%，在175℃的结温下，CoolSiC^TM 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。

图1 IGBT与CoolSiC^TM开关损耗对比

（二）导通损耗

碳(tan)化硅MOSFET有哪些优势(shi)，图2是1200V HighSpeed3 IGBT (IGW40N120H3) 与CoolSiC^TM 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^TM 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^TM 的正向压降只有IGBT 的一半，在175℃结温下，CoolSiC^TM MOSFET 的正向压降约是IGBT 的80%。在实际器件设计中，CoolSiC^TM MOSFET比IGBT 具有更低的导通损耗。

图2 CoolSiC^TM 和IGBT导通损耗对比

（三）体二极管续流特性

碳化硅MOSFET有哪些(xie)优势，CoolSiC^TM 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3(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3(b)比较了650V 41mΩ Si MOSFET 本征二极管和CoolSiC^TM MOSFET 本征二极管的性能。在常温及高温下，1200V CoolSiC^TM MOSFET 体二极管仅有Si MOSFET 体二极管Qrr的10%。

图3 CoolSiC^TM MOSFET体二极管动态特性

相比其它MOSFET，CoolSiC^TM 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^TM 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(zai)阻断状态(tai)下承受很高的电场(chang)强度，对于Trench 器件来说，电场(chang)会(hui)在(zai)沟槽的转(zhuan)角处集中，这里是(shi)MOSFET耐压(ya)设计的一(yi)个薄(bo)弱点。

图4 CoolSiC^TM MOSFET剖面示意图

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

a）为了与方便替换现在的Si IGBT，CoolSiC^TM MOSFET 推荐驱动电压为15V，与现在Si 基IGBT驱动需求兼容。CoolSiC^TM 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^TM 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(yi)用作快(kuai)恢(hui)复二(er)极(ji)管，具有极(ji)低(di)的Qrr 与良(liang)好的鲁棒性。

d）CoolSiC^TM 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^TM 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。

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