SiC MOSFET 器件特色知多少多？

对于低压开关电源运用，色知碳化硅或者 SiCMOSFET 与传统硅 MOSFET 以及 IGBT 比照具备清晰优势。多少多开关逾越 1,色知000 V的低压电源轨以数百 kHz 运行并非易事，纵然是多少多最佳的超结硅 MOSFET 也难以胜任。IGBT 很罕用，色知但由于其存在“拖尾电流”且关断飞快，多少多因此仅限用于较低的色知使命频率
。因此
，多少多硅 MOSFET 更适宜低压、色知高频操作 ，多少多而 IGBT 更适宜低压、色知大电流
、多少多低频运用。色知SiC MOSFET 很好地统筹了低压、多少多高频以及开关功能优势 。色知它是电压操作的场效应器件 ，可能像 IGBT 同样妨碍低压开关，同时开关频率即是或者高于低压硅 MOSFET 的开关频率。

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SiC MOSFET 具备配合的栅极驱动要求 。艰深来说
，它在导通时期需要一个 20V
、Vdd 栅极驱动来提供尽可能低的导通电阻 。与对于应的硅器件比照，它具备更低的跨导、更高的外部栅极电阻
，且栅极导通阈值可低于 2 V
。因此，在关断时期
 ，栅极必需拉低至负电压（艰深是 -5 V）
。清晰以及优化栅极驱动电路对于坚贞性以及部份开关功能具备颇为大的影响。

本系列文章将重点介绍 SiC MOSFET 特有的器件特色，并介绍了栅极驱动优化妄想的关键需要 
，以最大限度地后退 SiC 开关功能 。此外还将品评辩说零星级思考因素  ，好比启动 、倾向呵护以及稳态切换 。本文为第一部份，将介绍SiC MOSFET 特有的器件特色。

引言

碳化硅 (SiC) 属于宽禁带 半导体质料系列，用于制作分立功率半导体。如表 1 所示
，传统硅 (Si) MOSFET 的带隙能量为 1.12 eV ，而 SiC MOSFET 的带隙能量则为 3.26 eV。

SiC 以及氮化镓 (GaN) 具备更宽的带隙能量 ，象征着将电子从价带挪移到导带需要约莫 3 倍的能量 ，从而使质料的展现更像绝缘体而不像导体 。这使患上 WBG 半导体可能接受更高的击穿电压，其击穿场安妥性是硅的 10 倍。对于给定的格外电压，较高的击穿场可能减漂亮件的厚度，从而转化为较低的导通电阻以及较高的电流能耐。SiC 以及 GaN 都具备与硅相同数目级的迁移率参数 ，这使患上两种质料都颇为适宜高频开关运用 。可是，与硅以及 GaN 比照，SiC 最与众差距的参数是其热导率逾越 3 倍以上。对于给定的功耗，较高的热导率将转化为较低的温升。商用 SiC MOSFET 的最高保障使命温度为 150°C < Tj < 200°C。响应地，SiC的结温最高可能抵达 600℃  ，但其主要受键合以及封装技术的限度。这使患上 SiC 成为适用于低压
、高速 、高电流
、高温 、开关电源运用的优异 WBG 半导体质料。

表 1. 半导体质料属性

SiC MOSFET 个别适用于电压规模 650 V < BVDSS <1.7 kV，主要会集在 1.2 kV 及以上。在 650 V 的较低规模内，传统的硅 MOSFET 以及 GaN 优于 SiC 。可是，思考运用较低电压的 SiC MOSFET 的原因之一可能是运用其卓越的热特色。

尽管 SiC MOSFET 的动态开关行动与尺度硅 MOSFET 颇为相似 ，但由于其器件特色
，必需要思考到其配合的栅极驱动要求。

SiC MOSFET 特色

一
、跨导

开关电源中运用的硅 MOSFET 在两种使命方式或者地域之间尽可能快地开关 。当栅极-源极电压 VGS 小于栅阈值电压 VTH 时
，晶体管处于高阻形态，此时被称为妨碍地域 。在妨碍时期，漏极-源极电阻 RDS 是高阻形态 ，漏极电流 ID = 0 A。饱以及区爆发在 MOSFET 残缺增强时 ，即 VGS >> VTH，此时 RDS(on) 为最小值或者挨近最小值
，ID 抵达最大值，晶体管处于高导通形态
。如图 1 中红色轨迹所示
，线性（欧姆）区以及饱以及区之间的转换颇为犀利以及清晰 ，因此一旦 VGS > VTH，漏极电流就会经由相对于较低的 RDS。跨导 gm 是漏极电流变更量与栅极电压变更量之比，它界说了 MOSFET 的输入-输入增益，也便是对于给定的 VGS
，I-V 输入特色曲线的斜率 。

硅 MOSFET 的 I-V 曲线在线性区（大 ΔID）的斜率很峻峭，而在饱以及区时简直是平的，因此在 VGS > VTH 时具备颇为高的增益（高 gm）。对于给定的 VGS，ID 趋于平展，这象征着硅 MOSFET 在饱以及时展现患上很像一个非事实的电流源。相同，在图 1 中展现的输入特色曲线可能看出，SiC MOSFET 在线性以及饱以及使命方式之间的转换并不猛烈。事实上，不界说的“饱以及区”，从这个角度看 ，SiC MOSFET 的行动更像可变电阻而不黑白事实的电流源 。SiC MOSFET 的 I-V 输入特色未展现出小 ΔVGS 时泛起大 ΔID
，因此
，SiC MOSFET 被以为是低增益（低 gm）器件。

仅有抵偿低增益并欺压大幅修正 ID 的措施是施加颇为大的 VGS，这对于 RDS 有很大影响
。为了进一步剖析这一点 ，请思考图 1 中标志为 A 以及 B 的两个使命点。

当 VGS = 12 V 时
，牢靠的漏极电流 ID = 20 A 会导致 VDS = 8.75 V  ，而当 VGS 削减到 20 V 时，VDS = 3.75 V。将公式 (3) 以及 (4) 的服从妨碍比力
，可能发如今 VGS = 12 V 时电阻以及导通斲丧是在 VGS = 20V 时的 2.3 倍。

因此，当施加的最大栅极-源极电压在 18 V < VGS < 20 V 之间时 
，SiC MOSFET 的功能最佳，有些致使可能高达 VGS = 25 V。SiC MOSFET 在低 VGS 下运行可能会导致热应力或者可能由于高 RDS 而导致倾向。与低 gm 相关的缓解效应颇为紧张。它直接影响在妄想适宜的栅极驱动电路时必需思考的多少个紧张动态特色：特意是导通电阻 、栅极电荷（米勒平台地域）以及过流 (DESAT) 呵护。

二、导通电阻

作为 WBG 半导体 ，SiC MOSFET 在给定电压下每一单元面积的导通电阻较低 。MOSFET 的导通电阻由多少个外部的、与 VGS 无关的电阻元件组成。最值患上留意的是通道电阻 (RCH)、JFET 电阻以及漂移地域电阻 (RDRIFT) 。RCH 具备负温度系数 (NTC)，在较低的 VGS 下占有了 RDS 的主导位置。相同，RJ 以及 RDRIFT 具备正温度系数 (PTC)  ，在较高的 VGS 水平上占主导位置。对于 VGS > 18 V，导通电阻具备清晰的 PTC 特色。可是
，在较低的 VGS 下 ，导通电阻与结温特色泛起抛物线形态，如图 2 所示 。详细而言 ，在 VGS = 14 V 时，RCH 占主导位置 ，RDS 泛起出 NTC 特色，即电阻随温度飞腾而飞腾。这种 SiC MOSFET 的特色直接归因于其低 gm。对于硅 MOSFET ，惟独 VGS > VTH ，RDS 不断具备 PTC 特色。

t0→t1：VGS 从 VDD 着落到米勒平展地域 VGS(MP)。灌电流 IG(SINK) 主要由存储在 CGD 以及 CGS 中的电荷提供 ，而栅极驱动器的大容量电容 CVDD 则由 VDD 重新充电 。漏极电流 ID 坚持巩固
。随着 VGS 飞腾，通道电阻削减，导致 VDS 稍微削减 IDxRDS  。除了可能在 t0→t1 光阴末期临近可能会稍微削减  ，VDS 的边缘削减简直不会被留意到。

t1→t2 ：在此光阴距离内 ，栅极电流的提供主要由 CGD 主导 ，由于 CGS 电容看到的简直是恒定的 VGS 。在米勒平台地域上，VDS 从 ID x RDS 削减到被SiC 本征体二极管钳位的 VDS 轨电压
。漏极电流 ID 与前一个光阴距离比照坚持巩固。由于由于 VGS <1 3 V 以及 VDS x ID 同时出如今 MOSFET 上 ，导致 RDS 削减，因此在此光阴距离内
，栅极驱动电路的格外值应足以接受大批电流留意灌输。在关断时期 ，这是妄想职员需要留意的栅极驱动电流部份，由于必需尽快过渡经由米勒平台地域 。

t2→t3：随着 VGS 从米勒平展地域向 VTH 不断飞腾，在此距离时期 ID 逐渐着落至挨近于零 。此时 ，VDS 被 SiC 本征体二极管残缺钳位到漏极电压轨，这象征着 CGD 电容器已经充斥电荷 。因此
，如今大部份灌电流经由 CGS 流过。

t3→t4 ：ID 以及 VDS 坚持巩固 。在最后的关断距离时期，惟独当 VGS 降至 0V 如下时，SiC 外部输入电容器能耐残缺放电。由于 VTH 仅约为 1V
 ，为了残缺放电 CISS，VGS 必需以负电压实现关断序列 。紧张的是，栅极驱动电路必需提供尽可能低的阻抗。对于低压半桥电源拓扑妄想特意如斯，当高边 MOSFET 导通时 ，中点被高 dV/dt 上拉。低阻抗下拉对于防止 dV/dt 引起的意外导通至关紧张。

总之，SiC MOSFET 的导通以及关断开关形态波及四个差距的光阴距离 。图 5 以及图 7 所示的动态开关波形代表了事实的操作条件。实际上
，引线以及键合线电感、寄生电容以及 PCB 妄想等封装寄生参数会对于丈量波形发生很大影响
。在开关电源运用中运用 SiC MOSFET 时
，精确的元件抉择、PCB 妄想优化以及精心妄想的栅极驱动电路都是优化功能的关键。

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