適用于運輸領(lǐng)域的SiC：設(shè)計入門

簡介

在這篇文章中，作者分析了運輸輔助動力裝置（APU）的需求，并闡述了SiC MOSFET、二極管及柵極驅(qū)動器的理想靜態(tài)和動態(tài)特性。

為什么使用寬帶隙（WBG）材料？

對于任何電力電子工程師來說，必須大致了解適用于功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的半導(dǎo)體物理學(xué)原理，以便掌握非理想器件的電氣現(xiàn)象及其對目標(biāo)應(yīng)用的影響。理想開關(guān)在關(guān)斷時的電阻無窮大，導(dǎo)通時的電阻為零，并且可在這兩種狀態(tài)之間瞬間切換。從定量角度來看，由于基于MOSFET的功率器件是單極性器件，因此與這一定義最為接近。功率MOSFET結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)通狀態(tài)電流通過單極傳輸，這意味著N溝道器件中只有電子。由于沒有少數(shù)載流子注入，因此在柵極偏壓降低到一定的閾值電壓以下后，電流會立即斷開。

另一方面，雙極性器件可利用雙極性（電子-空穴）調(diào)制，將空穴注入基極，從而顯著提高導(dǎo)通能力。這些“額外”注入的載流子必須在器件從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)時消除。這可通過以下兩種方法實現(xiàn)：一是通過柵極驅(qū)動電流消除電荷，二是通過電子-空穴重組過程。雙極性器件的這種固有特點會造成顯著的功率損失，從而降低開關(guān)性能。因此，單極性器件更符合我們前文所述的三個理想條件之一，即理想的開關(guān)可以在導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)之間瞬間切換。

圖1. 價帶和導(dǎo)帶之間較寬的能量帶隙可使SiC在關(guān)斷狀態(tài)下成為較好的隔離器，并且能減少MOSFET的厚度

如何改善另外兩個理想條件？

半導(dǎo)體器件內(nèi)的電流必須流經(jīng)一個稱為漂移區(qū)的區(qū)域（見圖2）。此區(qū)域的作用是完全阻斷關(guān)斷狀態(tài)下的額定電壓。阻斷電壓越高，需要的溝道長度越長，從而導(dǎo)致電阻越大。這表明我們的理想功率開關(guān)性能會隨著標(biāo)稱電壓的升高而變差。

考慮到硅材料的特性，高于200V的標(biāo)稱電壓會因溝道過長而頗具挑戰(zhàn)性（使器件在電氣性能上和經(jīng)濟效益上都失去優(yōu)勢）。在這種情況下，IGBT等雙極性器件的優(yōu)勢較大（實現(xiàn)了開關(guān)權(quán)衡），寬帶隙半導(dǎo)體也是一種可以盡量減少不利影響的替代性技術(shù)解決方案。圖1重點介紹了寬價帶的優(yōu)勢（粒子不能占據(jù)這個帶區(qū)）。“寬帶隙”材料的主要優(yōu)點在于，在阻斷模式下可成為較好的隔離器（更接近左側(cè)的隔離器），在導(dǎo)通模式下可成為極其出色的導(dǎo)體（Si和SiC的載流子流動性都很高）。

圖2. 漂移區(qū)更窄是SiC的WBG特性的主要影響，這是導(dǎo)致總R_dson增大的最大因素。

目標(biāo)應(yīng)用中存在哪些寬帶隙優(yōu)勢？

我們已經(jīng)解釋過，WBG半導(dǎo)體支持采用固有快速MOSFET結(jié)構(gòu)，適合非常高的阻斷電壓。對于諧振模式下的直流-直流轉(zhuǎn)換器，這一點尤為實用。輸出特性圖（圖3a）給出了有關(guān)這類器件導(dǎo)通性能的更多信息。Si-IGBT用作比較的參照物；我們可以看到，在某些交叉點上，當(dāng)接近兩種器件的標(biāo)稱電流時，SiC-MOSFET的固有性能更好（壓降更低）。這最終產(chǎn)生了一條平坦的效率曲線，并且有利于任何主要在略高于標(biāo)稱功率的輕載條件下工作的轉(zhuǎn)換器。

圖3. 直接影響功率開關(guān)選擇的三個最重要電氣特性

如圖3c中所示，SiC-MOSFET結(jié)構(gòu)的第三象限（有時稱為整流象限）工作模式有一個非常有趣的特點。在這種模式下，SiC-MOSFET可以用作二極管?；蛘?，如果我們導(dǎo)通溝道，則會開啟器件并產(chǎn)生極小的導(dǎo)通損耗。這樣的開關(guān)可用作雙向開關(guān)，在兩個方向上的性能幾乎相同。

柵極驅(qū)動挑戰(zhàn)

更高的柵極電壓需求：通常，SiC器件具有較寬的帶隙以及較高的P型基極層濃度水平（見圖2），因此其柵極電壓閾值較高，這樣主要是為了避免擊穿。因此，要在SiC功率MOSFET中達到合理的柵極驅(qū)動電壓以完全打開溝道，會成為一種根本性的挑戰(zhàn)。在圖3b中，捕捉到了SiC-MOS和Si-IGBT的典型傳輸特性。讀者會發(fā)現(xiàn)，SiC-MOS的溝道打開速度略微“緩慢”，在20V左右時，R_dson達到最小值。鑒于此，柵極驅(qū)動器應(yīng)持續(xù)提供20V的柵極電壓，最好是可以進行配置。

由于存在柵極電荷殘留，SiC-MOS結(jié)構(gòu)中必須具有負(fù)偏壓，同樣，最好可以進行配置以實現(xiàn)優(yōu)化。近乎理想的功率開關(guān)和它們周圍的封裝寄生元件（見圖4）的組合會引起過壓和振蕩。關(guān)鍵在于(a)盡量減少所有外部直流鏈路+連接+柵極路徑和內(nèi)部雜散高級功率模塊的封裝元件，包括開爾文型柵極連接；(b)利用優(yōu)化的SiC-MOS技術(shù)；以及(c)在適用的情況下，采用先進的柵極驅(qū)動技術(shù)，如圖4所示的有源柵極電壓控制（Augmented Switching?）。

圖4. 實現(xiàn)可靠、高效SiC-MOS驅(qū)動的柵極驅(qū)動器和封裝的主要假設(shè)

總結(jié)

憑借快速開關(guān)和高壓操作的出色組合，SiC MOSFET成為輔助電源的理想選擇，尤其是其出色的第三象限工作模式，進一步凸顯了其優(yōu)勢。隨著電動列車等新興技術(shù)的問世，SiC MOSFET成為了更具吸引力的選擇，無論對軟開關(guān)還是硬開關(guān)均適用。借助可最大限度地減少寄生效應(yīng)的高級封裝技術(shù)和數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)，這些強大的器件能夠充分發(fā)揮全部優(yōu)勢。