一文吃透 SiC-MOSFET:性能、特性全面碾压传统器件,引领功率半导体新时代

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在电子技术飞速发展的当下,功率半导体器件的革新不断推动着各领域的进步。其中,碳化硅(SiC)MOSFET 以其卓越的性能,正逐渐崭露头角,成为众多工程师和科技爱好者关注的焦点。SiC MOSFET 不仅拥有快速开关速度,能够在高频应用场景中高效运作,大幅提升电路的响应速度与整体效率,而且作为SiC功率器件家族的重要成员,凭借碳化硅材料的独特优势,与传统的 Si-MOSFET(硅金属氧化物半导体场效应晶体管)和 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)相比,展现出诸多独特的优势,这些优势不仅改变了功率器件的格局,也为未来的电子设备发展指明了新方向。
 
SiC MOSFET
 
SiC-MOSFET 最显著的特点之一,便是其独特的导通特性。与 IGBT 不同,它不存在开启电压,这意味着在从小电流到大电流的宽电流范围内,都能实现低导通损耗。反观 Si-MOSFET,在 150℃时导通电阻会上升至室温条件下的 2 倍以上,而 SiC-MOSFET 的上升率则相对较低,这使得它在热设计方面更具优势,高温下的导通电阻也能保持在很低的水平。
 
在驱动门极电压和导通电阻方面,SiC-MOSFET 有着自己的特性。其漂移层阻抗比 Si-MOSFET 低,但由于当前技术水平下,MOS 沟道部分的迁移率较低,导致沟道部的阻抗比 Si 器件高。所以,门极电压越高,导通电阻越低,不过当 Vgs 达到 20V 以上时会逐渐饱和。为充分发挥 SiC-MOSFET 低导通电阻的性能,推荐使用 Vgs=18V 左右进行驱动,若 Vgs 低于 13V,则有可能发生热失控,需谨慎使用。
 
从 Vg-Id 特性来看,SiC-MOSFET 的阈值电压在数 mA 情况下定义时,与 Si-MOSFET 相当,室温下大约 3V(常闭)。但当流通几 A 电流时,室温下所需门极电压约为 8V 以上,这表明它针对误触发的耐性与 IGBT 相当,且温度越高,阈值电压越低。
 
在开关特性上,SiC-MOSFET 同样表现出色。其 Turn-on 速度与 Si-IGBT 和 Si-MOSFET 相当,大约几十 ns。在感性负载开关情况下,虽然会有由通往上臂二极管的回流产生的恢复电流流向下臂,但 SiC-MOSFET 的体二极管与 SiC-SBD 一样具有快速恢复性能,能有效减少 Turn-on 损耗。而在 Turn-off 特性方面,SiC-MOSFET 最大的优势在于原理上不会产生如 IGBT 中常见的尾电流,与 IGBT 相比,Turn-off 损耗可减少约 90%,这不仅有利于电路的节能,还能简化散热设备,实现小型化。并且,它几乎不受温度影响,能在 50KHz 以上的高频区域进行开关动作,而 IGBT 由于开关损耗大,通常不能在 20KHz 以上的高频区域使用。
 
SiC-MOSFET 的点点taptap安卓内部门极电阻与点点taptap安卓尺寸呈反比例,点点taptap安卓尺寸越小,门极电阻越大。其点点taptap安卓尺寸比 Si 器件小,虽结电容更小,但门极电阻也更大。1200V 80mΩ 的 SiC-MOSFET 产品内部门极电阻大约为 6.3Ω 。为实现快速开关,需选用几 Ω 左右尽量小阻值的外部门极电阻,并充分考虑浪涌电压。
 
在门极驱动电路上,SiC-MOSFET 是易于驱动、驱动功率较少的常闭型、电压驱动型开关器件,基本驱动方法与 IGBT 以及 Si-MOSFET 一样,推荐 ON 侧驱动门极电压为 + 18V 左右,OFF 侧为 0V,在要求高抗干扰性和快速开关时,可施加 - 3~-5V 左右的负电压。
 
再看体二极管特性,SiC-MOSFET 体内存在体二极管,由于 SiC 带隙是 Si 的 3 倍,其 PN 二极管开启电压大概 3V,正向压降较高。但也正因如此,当逆向并联外置二极管时,无需串联低压阻断二极管。而且其体二极管的恢复特性非常快速,与 SBD 一样具有超快速恢复性能,恢复损耗可减少到 IGBT 外置 FRD 的几分之一到几十分之一,在逆变器应用中,能有效减少恢复损耗和噪音。
 
SiC-MOSFET 凭借其在导通损耗、开关速度、热稳定性等多方面的卓越性能,在功率半导体领域展现出了巨大的潜力。随着技术的不断成熟和成本的逐渐降低,相信 SiC-MOSFET 将在新能源汽车、光伏发电、工业控制等众多领域得到更广泛的应用,为这些行业带来新的变革和发展。
 
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