【導讀】在功率電子器件領域，工程師們夢想有一種完美的半導體開關，它沒有導電損耗和開關損耗，電壓無窮大，沒有漏電且易于驅動。不幸的是，物理學告訴我們，它僅僅存在于夢想中，但是采用最新SiC FET寬帶隙半導體的開關已經非常接近這一理想開關，這種半導體開創(chuàng)了新的應用領域，提升了舊開關的效率，還有助于節(jié)省能量和成本。
摘要
高頻開關等寬帶隙半導體是實現更高功率轉換效率的助力。SiC FET就是一個例子，它由一個SiC JFET和一個硅MOSFET以共源共柵方式構成。
正文
在功率電子器件領域，工程師們夢想有一種完美的半導體開關，它沒有導電損耗和開關損耗，電壓無窮大，沒有漏電且易于驅動。不幸的是，物理學告訴我們，它僅僅存在于夢想中，但是采用最新SiC FET寬帶隙半導體的開關已經非常接近這一理想開關，這種半導體開創(chuàng)了新的應用領域，提升了舊開關的效率，還有助于節(jié)省能量和成本。
發(fā)展歷程
雖然場效應晶體管（FET）是在20世紀30年代首次提出并注冊專利的，但是制造技術沒能跟上，因此，首個開關功率轉換器采用的是鍺雙極性晶體管（BJT），它的實用性很差，漏電量很高且額定值非常有限。硅BJT是一個進步，它成為了市場主流，且直至今日，一些功率非常低/低成本的轉換器仍會偶爾使用它。然而，由于開關損耗，BJT的效率低，除非將頻率控制得非常低，而這意味著采用大體積磁性元件，違背了微型化趨勢。
在70年代晚期和80年代早期，MOSFET問世了，其額定值適合低功率轉換器，但是MOSFET技術和BJT技術結合構成的IGBT帶來了突破，它易于驅動，具有高額定電壓，而且甚至在大電流下也具有低導電損耗。該器件變成了大功率應用下的首選解決方案，而且在今天的逆變器和電動機領域仍具有非常大的市場。不過，它們距離完美開關仍有很大距離，這主要是由開關損耗造成的，尤其是“尾”電流造成的開關損耗，它將工作頻率限制為最高數十 kHz，從而導致相關磁性元件體積大、重量大、損耗高且價格昂貴。
與此同時，硅MOSFET有改進過的最新“超結”類型，導通電阻足夠低，能與IGBT相媲美，邁入kW級電平范圍，且具有工作頻率可以非常高的優(yōu)勢以及所有相關優(yōu)點。不過，在較高功率下，由于“平方”效果，較大的電流仍將在導通電阻內產生不可接受的I2R損耗，而且因為即使在低功率下也需要比以往更高的效率，所以設計師們現在把改進期望寄托在硅的替代產品上。寬帶隙（WBG）材料碳化硅（SiC）和氮化鎵正好合適，它們的單位晶粒面積導通電阻較低，電飽和速度更好。它們還具有其他優(yōu)點，如每毫米的臨界擊穿電壓較高、能實現較小的芯片體積并進而實現較低的電容以及可能較高的開關速度。SiC的導熱系數比硅或GaN好得多，它不僅額定結溫較高，還能讓給定晶粒和封裝具有更好的功率耗散能力（圖1）。
圖1：Si、SiC和GaN的材料特性
寬帶隙器件的挑戰(zhàn)
不過，作為寬帶隙產品中的佼佼者，SiC MOSFET仍然面臨著挑戰(zhàn)，因為它固有的晶格缺陷數量要超過硅，所以會造成較低的電子遷移率和較高的導通電阻。柵極閾值電壓也表現出了明顯的不穩(wěn)定性和遲滯現象，而且在短路和過壓等應力事件后柵氧化層會降級。它還會出現意外問題，并伴隨“基面錯位”或大塊晶格缺陷，這種錯位或缺陷可能在特定條件下擴大或遷移，進而導致導通電阻和漏電電流上升。制程改進顯著改善了這一情況，不過，制造商仍需要在制程中進行大量缺陷篩查，才能將場故障率維持在低水平，但是每個晶粒仍會受到一定影響。SiC MOSFET還需滿足特定的柵極驅動要求才能實現最低的導通電阻，柵極電壓也必須接近最大絕對值才能具有防止瞬態(tài)過電壓的重要能力。
替換方案SiC FET
雖然許多制造商堅持采用SiC MOSFET，但是采用SiC JFET也是一個可以考慮的方法，它沒有許多MOSFET會有的問題。不過，JFET是常開型器件，在實際電路中并不受歡迎，因而“共源共柵”概念廣為人們所接受，它將高壓SiC JFET和一起封裝的低壓硅MOSFET相結合，構成了所謂的“SiC FET”（圖2）。該器件為常關狀態(tài)，具有寬帶隙器件的全部優(yōu)勢，又容易用非臨界柵極驅動來驅動Si-MOSFET，后者為低壓型器件，具有非常可靠的柵氧化層和低導通電阻。
圖2：SiC FET示意圖
與SiC MOSFET相比，SiC FET具有許多電氣優(yōu)勢和實用優(yōu)勢。例如，SiC JFET固有的溝道電子遷移率要好得多。溝道也較短，因此對于給定晶粒面積，SiC FET的導通電阻是SiC MOSFET的二分之一到四分之一，或者說，在獲得相同導通電阻的前提下，每個晶圓最多可以得到四倍于SiC MOSFET的晶粒。與硅超結MOSFET相比，該數字最高可達到13倍，且更高的性能有助于抵消SiC比硅高的物料成本。要進行有意義的比較，導通電阻與晶粒面積的乘積RDS*A是一個有用的指標。因為與SiC MOSFET相比，在相同導電損耗下，SiC FET器件的晶粒較小，所以SiC FET的器件電容較低，因而開關損耗也較低，以導通電阻乘以開關能量這一性能表征表示，即RDS*EOSS。
SiC FET的柵極就是共源共柵的Si MOSFET。它的閾值約為5V，穩(wěn)定，無遲滯，因而用12V或15V電壓就可輕松驅動至完全增強，它還兼容IGBT和Si MOSFET電平，且距離最大絕對值（通常為25V）有很大的裕度。由于器件尺寸小且Si MOSFET有隔離效果，可以不使用米勒電容，從而提高效率，因此開關速度非常快且損耗低，而SiC JFET的低輸出電容也促進了這一特點。在實際應用中，通常會有意將邊緣放緩，以控制電磁干擾和電壓過沖，這可以通過增加柵極電阻實現，通過小緩沖電路也能實現，且更有效。
反向或“第三象限”導電
是否能有效反向導電通常是功率開關的一個關鍵考慮事項。IGBT不能，所以需要一個并聯(lián)二極管，而Si和SiC MOSFET有體二極管。SiC MOSFET中的二極管有可觀的反向恢復能量，因而會耗散部分功率，且其正向壓降高，約為4V。GaN HEMT單元可反向導電而無反向恢復，但是壓降高，且壓降與柵極關態(tài)電壓和溝道電阻相關，從而導致壓降達到數伏。相反，SiC FET的體二極管具有低壓共源共柵Si MOSFET的特征，因此正向壓降約為1.5V，反向恢復能量非常低，大約是SiC MOSFET的三分之一。SiC FET的較高性能有力地開拓了Si MOSFET所無法進入的應用領域，如“圖騰柱”功率因數校正級中的快速開關。圖3顯示了SiC FET和超結MOSFET的反向恢復特征，并與同一電壓級別的器件進行了對比。
圖3：SiC FET共源共柵結構的反向恢復電荷比硅SJ MOSFET小100倍左右
SiC FET十分可靠
工程師需要對器件可靠性有信心，這是十分自然的事，而SiC現在可以視為一種成熟技術，在現場和實驗中都具有很好的可靠性數據。SiC FET不具有已知會導致降級問題的SiC柵氧化層，這是它的另一個優(yōu)點。共源共柵結構的柵極是可靠的低壓Si MOSFET的柵極，具有高閾值電壓和厚氧化層，而內置穩(wěn)壓鉗位又提供了進一步保護。與GaN單元不同，SiC FET具有雪崩額定值和固有的抗短路能力，它還有溝道“夾斷”效應，而且與MOSFET和IGBT不同，該效應極為一致，不受柵極電壓影響。由于溝道電阻溫度系數為正，SiC FET短路電流會隨時間減小，而且會在晶粒單元中均勻分布，因而更加穩(wěn)定。
最近推出的SiC FET器件采用銀燒結晶粒粘接方法，與焊料相比，該方法能將連接處的導熱系數提高六倍，減少結溫升高幅度并保持高可靠性。
SiC FET的最新發(fā)展
自誕生后，SiC FET已經發(fā)展出了第四代產品。額定電壓已經有所提高，導通電阻則降低至一定范圍，使得基片成為目前的限制因素，而且目前應用“晶圓減薄”法來提高收益。產品的動態(tài)性能也得以改進，因而部件可以在硬開關拓撲中高效應用，也可以在軟開關操作中在非常高的頻率下應用，如在LLC或相移全橋電路中。
SiC FET的安裝選項也增加了，從TO-247和TO-220封裝中的并排安裝發(fā)展到“堆疊式”晶粒結構。還利用“開爾文”源極連接引入了有引腳的部件，以避免柵極驅動回路中的常見電感問題。最近推出的無引腳DFN8x8封裝可實現極低的連接電感和MHz頻率的開關。
SiC FET的吸引力
最新一代SiC FET使得開關向著理想開關又邁進了一步，它的損耗極低，能輕松實施，且價格越來越有吸引力。這些器件由UnitedSiC提供，額定電壓從650V至1700V，導通電阻低至25毫歐。UnitedSiC在其網站上提供了免費設計助手“FET JET”計算器，用它能快速為一系列功率轉換拓撲選擇任何UnitedSiC器件并預測器件性能，包括PFC級和隔離/非隔離直流轉換器拓撲。
（來源：UnitedSiC）
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