碳化硅mos管的優(yōu)缺點(diǎn)介紹,驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)解析
碳化硅MOS管深度解析
碳化硅MOS管深度解析
碳化硅（SiC），作為碳元素與硅元素構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料，憑借其卓越的物理特性，成為制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的優(yōu)質(zhì)之選。相較于傳統(tǒng)硅材料（Si），碳化硅展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)：其禁帶寬度為硅的3倍，導(dǎo)熱率為硅的4-5倍，擊穿電壓可達(dá)硅的8-10倍，電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，完美契合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率的迫切需求，廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)、光伏風(fēng)電、5G通信等下游領(lǐng)域，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、MOSFET已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
碳化硅器件在耐壓、開(kāi)關(guān)頻率、散熱能力及損耗等關(guān)鍵指標(biāo)上大幅超越硅基器件。除禁帶寬度優(yōu)勢(shì)外，碳化硅材料還具備更高飽和電子遷移速度、熱導(dǎo)率以及更低導(dǎo)通阻抗，使得碳化硅器件相較于硅基器件具備諸多顯著優(yōu)勢(shì)：更低的阻抗有助于縮小產(chǎn)品體積、提升轉(zhuǎn)換效率；更高的工作頻率（可達(dá)硅基器件10倍且效率不隨頻率升高而降低）可有效降低能量損耗；更強(qiáng)的高溫運(yùn)行能力則使冷卻系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。
從材料到半導(dǎo)體功率器件，碳化硅需歷經(jīng)單晶生長(zhǎng)、晶錠切片、外延生長(zhǎng)、晶圓設(shè)計(jì)、制造、封裝等一系列復(fù)雜工藝流程。合成碳化硅粉后，先制備碳化硅晶錠，經(jīng)切片、打磨、拋光得碳化硅襯底，再經(jīng)外延生長(zhǎng)得外延片。隨后，通過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝制得碳化硅晶圓，將其切割成die并封裝，最終將器件組合放入特殊外殼組裝成模組。
碳化硅（SiC）MOS管作為新型功率器件，與傳統(tǒng)硅基功率器件相比，在特定條件下優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，但也存在不足。其具備高溫特性?xún)?yōu)異（能在高溫下正常工作且熱穩(wěn)定性高）、高頻特性好（電子遷移速度快、損耗小，在高頻場(chǎng)合性能佳）、開(kāi)關(guān)速度快（門(mén)電容小，可實(shí)現(xiàn)更快開(kāi)關(guān)速度與更高效率）、導(dǎo)通損耗?。▽?dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于硅MOSFET，利于減少導(dǎo)通損耗）、體積小重量輕（采用更小尺寸芯片，可提高功率器件集成度）等優(yōu)點(diǎn)；然而，碳化硅MOS管也面臨制造工藝難度大（需更高難度材料與工藝，導(dǎo)致成本高）、技術(shù)有待成熟（商業(yè)化應(yīng)用較新，技術(shù)與市場(chǎng)認(rèn)可度待提升）、可靠性問(wèn)題（材料缺陷與器件壽命致可靠性有待提高）等挑戰(zhàn)。
碳化硅器件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)建議如下：
驅(qū)動(dòng)電平與驅(qū)動(dòng)電流的要求
碳化硅MOS管在高頻開(kāi)關(guān)場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，受寄生參數(shù)影響顯著。由于其柵極開(kāi)啟電壓較低，易因電路串?dāng)_誤導(dǎo)通，通常建議采用柵極負(fù)壓關(guān)斷。為使SiCMOS管更易替代IGBT，各半導(dǎo)體廠家在SiCMOSFET設(shè)計(jì)中使其驅(qū)動(dòng)特性接近硅IGBT。常規(guī)碳化硅器件驅(qū)動(dòng)電壓約+18V，部分應(yīng)用中可使用15V柵極開(kāi)通電壓，更低可達(dá)+12V，而柵極關(guān)斷電壓最低約-5V。理想的SiCMOSFET驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)覆蓋多種柵極開(kāi)通與關(guān)斷電壓需求，至少供電電壓壓差Vpos-Vneg需達(dá)25V。
盡管SiCMOSFET柵極電容小，驅(qū)動(dòng)功率需求遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)IGBT，但為滿(mǎn)足高頻應(yīng)用快速開(kāi)通關(guān)斷要求，需為SiCMOS選擇具較大峰值輸出電流的驅(qū)動(dòng)芯片。若輸出脈沖上升、下降速度快，則驅(qū)動(dòng)效果更佳，這意味著驅(qū)動(dòng)芯片的上升、下降時(shí)間參數(shù)需較小。
盡管SiCMOSFET柵極電容小，驅(qū)動(dòng)功率需求遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)IGBT，但為滿(mǎn)足高頻應(yīng)用快速開(kāi)通關(guān)斷要求，需為SiCMOS選擇具較大峰值輸出電流的驅(qū)動(dòng)芯片。若輸出脈沖上升、下降速度快，則驅(qū)動(dòng)效果更佳，這意味著驅(qū)動(dòng)芯片的上升、下降時(shí)間參數(shù)需較小。
滿(mǎn)足較短死區(qū)時(shí)間設(shè)定的要求
在橋式電路結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時(shí)間設(shè)定對(duì)系統(tǒng)可靠運(yùn)行至關(guān)重要。SiCMOSFET開(kāi)關(guān)速度較傳統(tǒng)IGBT大幅提高，許多實(shí)際應(yīng)用希望借此提升工作頻率，進(jìn)而提高系統(tǒng)功率密度，這意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)需匹配較小死區(qū)時(shí)間設(shè)定。同時(shí)，較短死區(qū)時(shí)間設(shè)定可保證逆變系統(tǒng)輸出電壓質(zhì)量更高。死區(qū)時(shí)間計(jì)算需考慮開(kāi)關(guān)器件本身的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間（尤其是小電流下開(kāi)關(guān)時(shí)間）以及驅(qū)動(dòng)芯片的傳輸延時(shí)。對(duì)于開(kāi)關(guān)速度快的器件，芯片延時(shí)在死區(qū)設(shè)定考量中占比更大。在隔離型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，采用一拖一驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，芯片間參數(shù)匹配差異也需在死區(qū)設(shè)定時(shí)考量。為滿(mǎn)足較小死區(qū)時(shí)間要求，選擇驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)需參考其傳輸延時(shí)時(shí)間參數(shù)以及芯片對(duì)芯片的匹配延時(shí)。
芯片所帶的保護(hù)功能
短路保護(hù)
SiCMOSFET與傳統(tǒng)硅MOSFET短路特性有異，不同型號(hào)SiCMOSFET短路承受能力不同，但短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測(cè)方法，根據(jù)開(kāi)關(guān)管輸出特性，SiCMOSFET漏源極電壓可反映電流變化。與硅IGBT相比，SiCMOSFET輸出特性曲線(xiàn)線(xiàn)性區(qū)與飽和區(qū)過(guò)渡不明顯，短路或過(guò)流時(shí)電流上升快，保護(hù)電路需更快響應(yīng)速度。針對(duì)此需求，需選擇檢測(cè)速度快、響應(yīng)時(shí)間短的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)?；贗GBT設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每次開(kāi)通時(shí)需設(shè)定消隱時(shí)間，避免開(kāi)通前期Vce電壓下降導(dǎo)致DSAET誤觸發(fā)。這對(duì)本就僅3us的SiCMOSFET短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)提出更高要求，需驅(qū)動(dòng)芯片DESAT相關(guān)參數(shù)精度更高，同時(shí)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路PCB設(shè)計(jì)，減小環(huán)路寄生電感影響。
有源米勒箝位
SiCMOSFET柵極開(kāi)啟電壓低且寄生電容小，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路寄生參數(shù)更敏感，易誤觸發(fā)，故常推薦負(fù)壓關(guān)斷。但SiCMOSFET能承受的柵極負(fù)壓范圍小，過(guò)大的負(fù)向電壓尖峰可能擊穿開(kāi)關(guān)管，部分廠家推薦較高負(fù)壓或0V關(guān)斷。此情況下，為防止關(guān)斷期間因米勒效應(yīng)誤觸發(fā)，可采用帶有有源米勒箝位功能的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。
芯片抗干擾性（CMTI）
配合SiCMOSFET使用的驅(qū)動(dòng)芯片，處于高頻應(yīng)用環(huán)境，需具備高抗干擾度。常用于評(píng)估驅(qū)動(dòng)芯片抗擾度的參數(shù)為CMTI?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，磁隔離型驅(qū)動(dòng)芯片抗擾性測(cè)量方法兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，與SiCMOSFE開(kāi)通和關(guān)斷迅速的工作特性相似，故CMTI參數(shù)可作為衡量用于驅(qū)動(dòng)SiCMOSFE的驅(qū)動(dòng)芯片抗擾度的技術(shù)參考。
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