关键词：SiC，SiC MOSFET，电源模块，功率半导体
摘 要：SiC MOSFET因其独特的物理和电气性能，在电源、电动车和太阳能逆变器等高要求应用中表现出色。本文深入探讨了SiC的基本特性、优势、减少体积以及加速其研发的方法，并通过SiC MOSFET电源模块方案来进行实例分析，旨在为相关设计提供有益的参考与指导。碳化硅（SiC）作为一种新兴的半导体材料，正在迅速成为电力电子领域的明星。其独特的物理和电气性能使得SiC MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）在许多高要求的应用中表现出色，如电源、电动车和太阳能逆变器等。
1. 什么是碳化硅（SiC）MOSFET？
硅碳化物（SiC）MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是使用碳化硅作为半导体材料而非传统硅的功率半导体器件。
这些晶体管具有更高的阻断电压、更好的热导率、更低的on-state电阻，并且击穿强度约比常规硅MOSFET大10倍。由于减少的开关损耗，它们提供了高效率，并实现了高功率密度。相比传统的基于硅的MOSFET，它们具有多个优势。
Infineon CoolSiC™ 1200V SiC Trench MOSFET - IMBG120R090M1HNexperia 1200 V, 80 mΩ, N-channel SiC MOSFET - NSF080120L4A0Q
一般来说，碳化硅（SiC）MOSFET具有一下的特性，优势和益处：
特性 | 优势 | 益处 |
低电容 | 优越的栅极（gate oxide）可靠性 | 最高效率，减少冷却需求 |
开关损耗不随温度变化 | 一流的开关和导通损耗 | 更长的使用寿命和更高的可靠性 |
内置二极管具有低反向恢复电荷 | 兼容IGBT驱动（+18V） | 更高频率操作 |
无阈值on-state特性 | 阈值电压，Vth > 4V | 降低系统成本 |
| 短路和雪崩耐受性 | 增加功率密度 |
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| 减少系统复杂性 |
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| 设计和实施容易 |
1.器件结构和特性：与600V-900V硅MOSFET相比，SiC MOSFET具有更小的芯片面积（可安装在紧凑的封装中）和其体二极管的超低恢复损耗。SiC器件不需要导电调制来实现低导通电阻，因为它们具有比硅器件低得多的漂移层电阻。MOSFET原则上不会产生尾电流。因此，SiC MOSFET的开关损耗比IGBT低得多，这使得更高的开关频率、更小的无源器件以及更小且更便宜的冷却系统成为可能。2.导通电阻RDSon的温度稳定性：SiC MOSFET的导通电阻（RDSon）包括诸如通道电阻（RCH）、JFET电阻（RJ）和漂移区电阻（RDRIFT）等电阻元素，每个元素具有不同的温度系数。在较低的VGS下，RCH占主导地位并具有负温度系数，而在较高的VGS下，RJ和RDRIFT变得突出并具有正温度系数。VGS大于13V表现出正温度系数，影响并联器件的电流分配。导通电阻的温度依赖性随击穿电压和器件类型而变化；例如，1200V器件由于漂移层电阻增加而具有较高的系数。在高温下，导通电阻增加以限制饱和电流，从而提高器件的短路坚固性。 
3.阈值电压容差：MOSFET的阈值电压（Vth），通常在2到4伏之间，对于安全操作至关重要。阈值电压容差，即最小和最大Vth之间的范围，是对称开关操作的关键，这对于并联SiC MOSFET操作至关重要。较低的Vth变化在开关过程中减少应力，增强性能和寿命。随着温度的升高，Vth通常会降低，因此需要进行彻底的设计容差分析以确保安全开关并避免寄生开启事件。4.DESAT保护：DESAT保护是一种用于IGBT的过流检测方法；它在集电极电流全流动时检测集电极-发射极电压上升，显然这会对效率产生负面影响，最坏情况下可能导致IGBT失效。SiC MOSFET可能会遇到类似情况，即在最大ID流动时VDS上升。如果在开启期间最大VGS过低，或栅极驱动开启边缘过慢，或存在短路或过载情况，这种不良情况可能会发生。在全ID存在的情况下，RDS会增加，导致VDS意外但缓慢上升。失饱和期间，SiC MOSFET的VDS响应缓慢，允许通过增加导通电阻的高漏电流。这种延迟可能导致漏电流达到额定脉冲电流的10-20倍，然后VDS响应，这可能在故障识别之前的许多开关周期中引起高频电力转换器的问题。5.栅极电荷比：动态特性决定了器件的开关性能。这些参数中的许多高度依赖于测量条件。在引入快速开关时，考虑瞬态对杂散和器件本体电容的影响。栅源电容（Cgs）影响延迟时间和di/dt，而栅漏电容（Cgd）影响dv/dt。漏源电容（Cds）影响dv/dt而不影响延迟时间和di/dt。
栅极电荷参数（QG、QGS、QGD）对于确定开关性能更有用，较低的QG减少了栅极驱动损耗。关注栅极电荷数据而非电容以进行准确的性能评估。确保QGD与QGS的比率低以获得稳定的性能。在选择硬开关应用的器件时，QGD和RDSon将更好地指示器件的优值。对于软开关转换器，Qoss与QGD和RDSon一起将更好地指示器件的适用性。6.栅极驱动电压：本节讨论栅极驱动电压对SiC MOSFET静态和动态损耗的影响。高on-state状态VGS对于适当的通道反转、低on-state状态损耗和快速开关是必要的，而较低的VGS减少了栅氧化物应力并提高了可靠性。在优化栅极驱动电压时，考虑RDSon的温度行为。在13V以下，随着温度的升高漏电流增加，因此VGS应保持在13V以上。器件可以在高于15V的VGS下驱动，以改善on-state状态行为。
图3. 漏极on-state电阻与阈值电压的函数关系（左）；漏极on-state电阻与漏极电流的函数关系（右）选择合适的栅极电压对于平衡功率器件的电气性能和可靠性至关重要。加速应力测试有助于评估VGS对阈值电压和栅氧化物可靠性的影响，特别是在高温下。
下面的研究结果来源于onsemi。onsemi通过对碳化硅（planer SiC）和硅（Si）的栅极氧化层，不断充电直到损坏的方式（Charge to Failure）（QBD），来比较栅极氧化层的质量。如下所示，相同厚度的碳化硅（planer SiC）和硅（Si）的栅极氧化层，在击穿和寿命方面对比。
图4. 对碳化硅（planer SiC）和硅（Si）的栅极氧化层对比（图片来源：onsemi）在室温下，通过正向偏置栅极施加5mA/cm²电流时，碳化硅（SiC）NMOS电容器、1200V 40mΩ碳化硅MOSFET以及硅MOSFET产品的QBD测量结果。on semi碳化硅（planer SiC），在相同名义栅极氧化层厚度下，QBD性能比硅（Si）高出50倍。（研究结果来源于onsemi）- 1. 4. 使用碳化硅（SiC）到底可以减少节省多少体积？
我们结合一个实例，碳化硅（SiC）在电源应用中，究竟能节省多少体积。
图5. 电池储能系统（ESS）结构示意图（图片来源于Infineon）碳化硅（SiC）在能源存储系统（ESS）中的价值，更小的体积和重量减轻，从而获得更大的功率密度，从而提高了系统效率。同时，由于在高电流和高温条件下能够提高系统效率，减少系统体积和重量，从而降低每瓦的成本。下图对比一个使用SiC MOSFET电源模块与普通电源模块，大小尺寸差异：
| 普通电源模块 | SiC MOSFET电源模块 |
|  |  |
厂家 | MEAN WELL | Infineon |
型号 | CSP-3000-400
| 基于Infineon SiC MOSFET IPW60R017C7与IPU95R3K7P7的电源方案 |
参数 | 输入·：180 ~ 264 VAC 输出：400 VDC 功率：3000W | 输入：176 VAC - 265 VAC 输出：400 VDC 功率：3300W （来源于Infineon方案） |
尺寸 | 278.0mm x 177.8mm x 63.5mm 体积：3139立方厘米 | 208mm x 89mm x40mm 体积：740立方厘米 |
我们可以看出使用SiC MOSFET技术后，体积缩小了很多。当然，不是所有应用都追求更小体积的，还有成本，研发周期等多种因素的考量。MEAN WELL CSP-3000-400也不是为了缩小体积而设计，同时有着别的优势，比如里面内置风扇从而有更好的散热效果，符合多种安全认证，适用性更强等等。我们这里只是举一个例子，比较说明SiC MOSFET对于电源模块在减小电源体积上的帮助。- Infineon IPU95R3K7P7 N 通道 950 V 2A
图7. 电池储能系统（ESS）结构示意图（图片来源于Infineon）碳化硅（SiC）在实际应用过程中，如何充分发挥碳化硅的优势，减少开发周期？
对于传统大功率驱动，传统的模拟驱动器，当快速关断时，一切正常。当关断速度变慢，由于MOSFET一些寄生参数就可能代理额外的风险，过压，噪声，甚至短路。
Microchip可配置碳化硅方案，可以方便的在关断过程中设置台阶。下图对比了传统模拟驱动器和2ASC - 12A1HP第一代数字栅极驱动器以及2ASC - 12A2HP第二代数字栅极驱动器在正常操作和故障条件下的特性。
我们可以看到，传统模拟关断的时候，尖峰高达752V，关断能量高达11.1mJ，并且波形震荡得非常厉害，从而导致比较低的开关效率。
当0V，50ns，关断一次，电压尖峰缩小到744V，关断能量缩小到9.9mJ，震荡也明显光滑了。
（图片来源：Microchip）当4.5V，650ns，关断一次，电压尖峰缩小到712V，关断能量为16mJ，震荡也更光滑了。
（图片来源：Microchip）
碳化硅（SiC）作为一种前沿的半导体材料，凭借其卓越的电气和物理特性，正在改变电力电子领域的格局。无论是在高效电源、节能储能系统，还是在电动汽车和工业应用中，SiC技术都展现出了巨大的潜力。通过理解和优化SiC器件的特性，例如导通电阻、阈值电压以及栅极驱动策略，工程师们可以更好地利用这一技术，设计出更高效、更紧凑且更可靠的电力系统。随着技术的不断成熟和研发的持续深入，SiC的优势将进一步得到挖掘，为未来的电力转换与储能应用带来更多可能性。希望本文对SiC器件的分析和应用研究能够为读者在相关设计中提供有益的参考与指导。如文中所分析，SiCMOSFET具有高效能、高耐压、耐高温、小型化、轻量化以及高可靠性等显著优势，随着技术的不断成熟和成本的逐步降低，SiC MOSFET在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有广泛的应用前景。您是否正在进行SiC相关方案的开发？您对SiC器件特性有哪些见解或疑问？欢迎留言，分享交流！
