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碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究3 2022-07-05 11:08
参考文献:周伟成,碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究【D】,浙江大学,2019(转发请注明出处及作者)
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向导通电阻低、开关速度快、驱动电路筒单等优点。碳化硅MOSFET的漂移区相对较薄,它的正向导通电阻低,导通损耗也小。由于正向电阻小,所以相较于传统硅IGBT,在相同的耐压和导流能力条件下碳化硅MOSFET的面积可以更小,从而其结电容也更小(相对介电常数:碳化硅9.66,硅11.9,@300K),较小的结电容使得器件的开关速度更快。碳化硅MOSFET是电压型驱动器件,驱动功耗较低,而栅氧结构让它的栅极输入阻抗极大,所以碳化硅MOSFET的驱动电路相对筒单,并且从电路拓扑上来说传统硅IGBT的驱动电路可以直接驱动碳化硅MOSFET,所以碳化硅功率MOSFET被视为硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用图2.3中的垂直型DMOS来说明。当栅源之间存在正偏压,并且高于阈值电压时,栅极下方在SiC表面形成了反型沟道,从源极到漏极形成了导电通路,MOSFET导电通路的等效电阻由如图2.3中所示的几个部分等效电阻串联组成。当栅源之间短路或者在栅源之间施加反偏电压时,沟道被断开,源极到漏极的电流通路不复存在,漏源之间开始具备承受高电压应力的条件。从器件内部来看,正向阻断的电压应力绝大部分由N-漂移区承担,图2.4显示了漂移区-中电-势分布的示意图。
碳化硅MOSFET存在反向并联的体二极管,从图2.4中可以看到从源极到漏极是PiN结构,即PN结二极管。在电路应用中,通常在开关器件两侧反向并联一个二极管,比如在桥臂电路中IGBT管两端反并一个二极管满足续流导通的需要。碳化硅MOSFET内部集成的体二极管能起到和反并二极管相同的作用,省掉反并二极管可以简化电路拓扑,降低器件成本。可是在实际情况中,直接用SiCMOSFET的体二极菅作为反并二极管会存在一些问题。该体二极管一般是PN结结构,由于碳化硅PN结二极管的正向门槛电压很高(2.7V),体二极管续流时将产生较大的功率损耗,同时由于PN结二极管存在反向恢复过程又会进一步增加开关损耗,该损耗还会随着温度的升高而增加[69]。因此,SiCMOSFET的体二极管很少被直接作为反并二极管使用。现在有一些研究团队通过对MOSFET的结构设计来提高体二极管的性能。
碳化硅MOSFET特性
碳化硅MOSFET的输出特性
以Cree公司的碳化硅MOSFET(CMF20120D)为研究对象,对其静态和动态特性进行了测试和分析。碳化硅MOSFET(CMF20120D)的最高耐压为1200V,室温下导通电阻为80ma它的输出特性如图3.13所示,栅极电压和结温的改变都会对器件的导通性能产生影响。
器件的导通性能会随着栅压的升高而提高。随着栅源电压的升高,栅氧下方的沟道电阻减小,从而器件的导电能力也随之增加。公式(3.12)可以近似的表明沟道电阻和栅压之间的关系。
其中Rch为沟道电阻,Lch为沟道长度,Z为器件在z方向的长度,μin为沟道电子迁移率,Cox为栅氧层的比电容,Vgs为栅极电压,Vth为阈值电压。
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向导通电阻低、开关速度快、驱动电路筒单等优点。碳化硅MOSFET的漂移区相对较薄,它的正向导通电阻低,导通损耗也小。由于正向电阻小,所以相较于传统硅IGBT,在相同的耐压和导流能力条件下碳化硅MOSFET的面积可以更小,从而其结电容也更小(相对介电常数:碳化硅9.66,硅11.9,@300K),较小的结电容使得器件的开关速度更快。碳化硅MOSFET是电压型驱动器件,驱动功耗较低,而栅氧结构让它的栅极输入阻抗极大,所以碳化硅MOSFET的驱动电路相对筒单,并且从电路拓扑上来说传统硅IGBT的驱动电路可以直接驱动碳化硅MOSFET,所以碳化硅功率MOSFET被视为硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET存在反向并联的体二极管,从图2.4中可以看到从源极到漏极是PiN结构,即PN结二极管。在电路应用中,通常在开关器件两侧反向并联一个二极管,比如在桥臂电路中IGBT管两端反并一个二极管满足续流导通的需要。碳化硅MOSFET内部集成的体二极管能起到和反并二极管相同的作用,省掉反并二极管可以简化电路拓扑,降低器件成本。可是在实际情况中,直接用SiCMOSFET的体二极菅作为反并二极管会存在一些问题。该体二极管一般是PN结结构,由于碳化硅PN结二极管的正向门槛电压很高(2.7V),体二极管续流时将产生较大的功率损耗,同时由于PN结二极管存在反向恢复过程又会进一步增加开关损耗,该损耗还会随着温度的升高而增加[69]。因此,SiCMOSFET的体二极管很少被直接作为反并二极管使用。现在有一些研究团队通过对MOSFET的结构设计来提高体二极管的性能。
碳化硅MOSFET特性
碳化硅MOSFET的输出特性
以Cree公司的碳化硅MOSFET(CMF20120D)为研究对象,对其静态和动态特性进行了测试和分析。碳化硅MOSFET(CMF20120D)的最高耐压为1200V,室温下导通电阻为80ma它的输出特性如图3.13所示,栅极电压和结温的改变都会对器件的导通性能产生影响。
器件的导通性能会随着栅压的升高而提高。随着栅源电压的升高,栅氧下方的沟道电阻减小,从而器件的导电能力也随之增加。公式(3.12)可以近似的表明沟道电阻和栅压之间的关系。