??????? 隨著諸多大功率電源應(yīng)用越來(lái)越普及，傳統(tǒng)的硅MOSFET在應(yīng)用中的限制越來(lái)越明顯，寬禁帶器件的使用變得越來(lái)越廣泛，其中，碳化硅MOSFET是非常典型的一種。這里，我們通過(guò)介紹碳化硅器件的固有優(yōu)勢(shì)，讓大家對(duì)碳化硅MOSFET有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，也對(duì)碳化硅MOSFET的驅(qū)動(dòng)上的特點(diǎn)進(jìn)行一定的討論，以避免設(shè)計(jì)中的誤區(qū)。

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一．典型基本的概念的解釋

? ? ? ? 首先，了解一下什么是碳化硅？碳化硅是一種無(wú)機(jī)物，化學(xué)式為SiC,是用石英砂，石油焦（或煤焦），木屑等原料通過(guò)高溫冶煉而成，碳化硅在大自然中也存在罕見(jiàn)的礦物，如莫桑石。在各種非氧化物等高技術(shù)耐火材料中，碳化硅是應(yīng)用最廣泛，最經(jīng)濟(jì)的一種，可以稱(chēng)為金剛砂或者耐火砂。?中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm^2。。SiC顧名思義，是一種由硅（Si）和碳（C）組成的化合物材料，它屬于寬禁帶材料的一種，在物理上具有非常好的機(jī)械，化學(xué)，熱穩(wěn)定性。

? ? 其次，我們回顧一下什么是MOSFET? MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor) , 全稱(chēng)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它具有三個(gè)極，源極S, 漏極D, 門(mén)級(jí)G, 如圖1，所示。其中源極和漏極是可以對(duì)調(diào)的，都是在P型襯底上形成的N型區(qū)域，兩個(gè)區(qū)對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能，它屬于對(duì)稱(chēng)器件，很長(zhǎng)一段時(shí)間，MOSFET都是以Si硅為主要材料制作而成，在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖1 N溝道MOSFET的基本結(jié)構(gòu)

? ? ? ? 和MOSFET相對(duì)應(yīng)的是雙極性節(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，即BJT），也是一個(gè)具有三個(gè)極的電子器件，通過(guò)在控制極設(shè)置一個(gè)微小的電流變化，而在輸出極產(chǎn)生一個(gè)大的電流變化，所以，雙極性晶體管的電流增益就是輸出電流比上輸入電流。而場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是通過(guò)對(duì)控制極施加一個(gè)電壓變化而去控制輸出電流變化，所以其增益定義為輸出電流和輸入電壓之比，這是一個(gè)跨導(dǎo)概念。比較常見(jiàn)的是N溝道和P溝道的MOSFET, N溝道MOSFET相比P溝道MOSFET主要用于大電流場(chǎng)合。

???????從本質(zhì)上講，MOSFET是通過(guò)門(mén)級(jí)的電場(chǎng)去控制漏極的電流，所以其驅(qū)動(dòng)損耗非常小，所以應(yīng)用領(lǐng)域比雙極性晶體管廣泛的多。

???????IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極性晶體管）是結(jié)合了MOSFET和BJT二者的優(yōu)點(diǎn)而制作的電壓型驅(qū)動(dòng)功率器件，前者的驅(qū)動(dòng)損耗小，后者的飽和壓降低，所以在高壓場(chǎng)合也比較適合600V以上的應(yīng)用，但是其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損耗大，所以限制了其在高開(kāi)關(guān)頻率，小型化場(chǎng)合的應(yīng)用。

???????近些年隨著工藝的發(fā)展，相比以前更容易獲取更大尺寸和高質(zhì)量的碳化硅晶元，同時(shí)高溫晶體生長(zhǎng)制成也越來(lái)越成熟，所以在碳化硅材料在電子器件中的應(yīng)用越來(lái)越多。在多種晶體結(jié)構(gòu)中，4H-SiC結(jié)構(gòu)是最適合做電力電子器件的一種。純的碳化硅材料一般認(rèn)為是絕緣體，而通過(guò)一定的參雜，將它變?yōu)榘雽?dǎo)體，通過(guò)合適的條件，如電壓控制，控制它成為一定條件下的導(dǎo)體。

圖2 典型的6英寸碳化硅晶元

??????? 以碳化硅為核心材料制作成的MOSFET，稱(chēng)作碳化硅MOSFET,它相比傳統(tǒng)的Si MOSFET具有很多優(yōu)勢(shì)，接下來(lái)我們一一探討。

二.碳化硅MOSFET的典型優(yōu)勢(shì)特性

圖3寬禁帶材料及傳統(tǒng)硅材料特性對(duì)比

? ? ? ? 熱導(dǎo)率是一種材料耗散自己產(chǎn)生的熱量的能力，熱導(dǎo)率越大，越適合在高溫下使用，由于碳化硅材料禁帶寬度較大（能量隙帶是硅的3倍），熱穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率高（超過(guò)硅的3倍），所以，首先它非常適合在高達(dá)200C結(jié)溫的高溫下運(yùn)行，而保持比較高的可靠性，這在硅MOSFET上是不現(xiàn)實(shí)的，所以，碳化硅MOSFET很適合在高溫，高壓，大功率電源場(chǎng)合應(yīng)用，由于熱導(dǎo)率高，所以其散熱系統(tǒng)也更容易設(shè)計(jì)。

??????? 從上圖3數(shù)據(jù)上看，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)是硅材料的大約10倍，這一點(diǎn)讓它非常適合做高耐壓器件，從650V到幾千伏的器件都非常容易。由于參雜濃度比較高，所以碳化硅MOSFET的漂移區(qū)比較薄，因此漂移區(qū)阻抗非常低，而相比同樣耐壓的硅MOSFET，碳化硅可以做到更小的Die的尺寸，或者說(shuō)同樣大小的Die，可以做更小的導(dǎo)通阻抗，在理論上，一定高壓下，碳化硅的單位面積漂移區(qū)阻抗只有傳統(tǒng)硅的1/300.

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??????? 碳化硅MOSFET和傳統(tǒng)的硅MOSFET一樣，具有固有的寄生體二極管，但是碳化硅MOSFET的體二極管的特性非常好，尤其是反向恢復(fù)特性。眾所周知，在硅MOSFET的硬開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，器件關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)時(shí)間Trr和反向恢復(fù)電流Irr比較大，在這個(gè)過(guò)程中勢(shì)必帶來(lái)較大的反向恢復(fù)損耗，所以一定條件下限制了高開(kāi)關(guān)頻率的使用，并且讓系統(tǒng)EMI變得比較差。在碳化硅MOSFET中，這個(gè)問(wèn)題就不存在了，由于良好的體二極管特性，其反向恢復(fù)時(shí)間Trr和電流Irr都變得幾乎忽略不計(jì)。如下圖4，是一個(gè)基于1000V的硅MOSFET和一個(gè)碳化硅MOSFET的反向恢復(fù)特性對(duì)比，可以看到，SiC的MOSFET反向恢復(fù)損耗很小，時(shí)間和電流也可以不略不計(jì)。

圖4 碳化硅和硅MOSFET的反向恢復(fù)特性比較

? ? ? ?對(duì)電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于碳化硅材料的特點(diǎn)，它使得碳化硅MOSFET具有較低的開(kāi)關(guān)損耗，及導(dǎo)通損耗，非常方便通過(guò)高頻化提高系統(tǒng)的功率密度。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)運(yùn)行于更高的開(kāi)關(guān)頻率，周邊無(wú)源器件如功率電感，變壓器，輸入電容和輸出電容等都會(huì)減小使用個(gè)數(shù)及體積，連同散熱系統(tǒng)也會(huì)減小體積。

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三.碳化硅MOSFET的基本驅(qū)動(dòng)要求

??????? 首先需要考慮的是，用什么樣的電壓去驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET,這是非常重要的，一般來(lái)說(shuō)，規(guī)格書(shū)會(huì)給出如下幾個(gè)指標(biāo)，絕對(duì)最大門(mén)級(jí)電壓，額定門(mén)級(jí)電壓，門(mén)極電壓門(mén)限幾個(gè)參數(shù)。

? ? ? ?對(duì)于額定最大電壓，它是加在門(mén)級(jí)電壓的允許的最大值，在任何情況下都不能超過(guò)這個(gè)值，否則可能會(huì)損壞器件，這個(gè)規(guī)格主要是考慮有一些門(mén)級(jí)電壓尖峰或者噪聲，或者基于寄生參數(shù)及layout因素導(dǎo)致的一些門(mén)級(jí)瞬態(tài)電壓。此處我們以MSC015SMA070B4這個(gè)700V耐壓，15mohm導(dǎo)通阻抗的碳化硅MOSFET來(lái)說(shuō)明一下，如圖5.所示。此處，我們可以看到這個(gè)器件允許的門(mén)級(jí)最大正電壓為23V,和最大負(fù)電壓為-10V.

????額定的門(mén)級(jí)電壓是推薦的正常工作時(shí)的門(mén)級(jí)電壓，我們同樣以MSC015SMA070B4這個(gè)器件為例，它推薦的正向驅(qū)動(dòng)電壓是20V,當(dāng)減小門(mén)級(jí)電壓后，其可以驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流能力會(huì)減小，由圖6及圖7所示可知，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通損耗也會(huì)相應(yīng)增加。

? ? ? ??門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置在20V,也可以對(duì)門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓規(guī)格上限留出一定的裕量，以免門(mén)級(jí)氧化物被擊穿，或者影響其壽命。

圖5 碳化硅MOSFET門(mén)級(jí)電壓最大值參數(shù)

圖6 常溫下碳化硅MOSFET的正向驅(qū)動(dòng)電壓和負(fù)載電流關(guān)系

圖7高溫下碳化硅MOSFET的正向驅(qū)動(dòng)電壓和負(fù)載電流關(guān)系

? ? ? ? 除了正電壓驅(qū)動(dòng)指標(biāo)外，我們需要考慮的另一個(gè)指標(biāo)是門(mén)級(jí)導(dǎo)通門(mén)限，VGS-th，這個(gè)指標(biāo)對(duì)于碳化硅器件來(lái)說(shuō)是比較低的，如圖8所示，這里看到MSC015SMA070B4的這個(gè)指標(biāo)在常溫下是2V左右。

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圖8 典型碳化硅MOSFET的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓門(mén)限

圖9 典型碳化硅MOSFET的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓隨溫度變化曲線

? ? ? ? ?同時(shí)，門(mén)級(jí)導(dǎo)通門(mén)限這個(gè)指標(biāo)，隨溫度變化又是負(fù)的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，溫度越高，其導(dǎo)通門(mén)限越低，這就讓密勒效應(yīng)的后果在高溫下更容易產(chǎn)生誤開(kāi)通的問(wèn)題。

? ? ? ?事實(shí)上，在一般的單端拓?fù)浠蛘叻峭秸鞯耐負(fù)渲?，由于不?huì)造成上下管短路直通的效應(yīng)，因此只需要正電壓驅(qū)動(dòng)即可，可以用0V的電壓讓它關(guān)斷。而在大功率拓?fù)渲?，更為常?jiàn)的是使用橋式電路拓?fù)?，由于可能的上下管的直通?wèn)題，從而影響電路效率和可靠性，不得不作為一個(gè)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，如圖10所示。

圖10 半橋電路拓?fù)鋯卧Y(jié)構(gòu)

? ? ? ? 由于寄生電容CGD的存在，在關(guān)斷下管時(shí)，會(huì)由于寄生電容產(chǎn)生密勒效應(yīng)，門(mén)級(jí)會(huì)有一定的電壓尖峰存在，一旦超過(guò)門(mén)級(jí)開(kāi)通門(mén)限電壓VGS-th，就會(huì)再次開(kāi)通，所以，為了避免下管在關(guān)斷時(shí)再次開(kāi)通，一般建議這種場(chǎng)合中使用負(fù)電壓去穩(wěn)定關(guān)斷器件（也可以通過(guò)門(mén)級(jí)米勒鉗位驅(qū)動(dòng)電路使用0V的驅(qū)動(dòng)電壓）。MSC015SMA070B4，這里推薦-5V電壓，既能可靠關(guān)斷器件，又和負(fù)電壓規(guī)格保持較大的設(shè)計(jì)裕量。負(fù)電壓越大，容易產(chǎn)生更大的開(kāi)關(guān)損耗。

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? ? ? ?根據(jù)上述門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓的基本要求，我們可以得出一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)電壓規(guī)格，但是，另一個(gè)需要注意的問(wèn)題就是工程實(shí)踐中需要注意的容差問(wèn)題，如果驅(qū)動(dòng)電壓的精度太低，尤其是正向驅(qū)動(dòng)電壓，它會(huì)對(duì)碳化硅器件的導(dǎo)通電阻Rdson及導(dǎo)通損耗產(chǎn)生較大的影響。一般的經(jīng)驗(yàn)是，5%的驅(qū)動(dòng)電壓變化，會(huì)在常溫下導(dǎo)致4%的導(dǎo)通阻抗變化，在高溫125C下導(dǎo)致2%的導(dǎo)通阻抗的變化，因此建議將驅(qū)動(dòng)電壓控制在5%的精度范圍內(nèi)。

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? ? ? ? 總結(jié)，本文通過(guò)回顧基本開(kāi)關(guān)器件的概念，引出新型寬禁帶器件碳化硅MOSFET的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而從基本規(guī)格上去分析其驅(qū)動(dòng)電壓的基本要求，為后續(xù)理解碳化硅MOSFET的更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)要求奠定一些基礎(chǔ)。