碳化硅(SiC)在功率電子學(xué)中相比傳統(tǒng)的硅工藝技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì)。它結(jié)合了更高的電子遷移率、更寬的帶隙和更好的熱導(dǎo)率。得益于這些特性，SiC器件相比于同等評(píng)級(jí)的硅器件表現(xiàn)出更低的導(dǎo)通電阻(Rds(on))。除了更高的載流子遷移率外，這種較低的電阻還得到了SiC比硅更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的輔助。這一特性使得器件結(jié)構(gòu)中的漂移層更薄。

對(duì)于許多工業(yè)設(shè)計(jì)而言，SiC最重要的優(yōu)勢(shì)之一是它能夠在高溫下良好運(yùn)行而不會(huì)產(chǎn)生過度的載流子泄漏，這是其他技術(shù)難以輕易實(shí)現(xiàn)的。這一優(yōu)勢(shì)主要?dú)w功于SiC較低的本征載流子濃度。然而，為了最大限度地發(fā)揮SiC在需要高溫兼容性的設(shè)計(jì)中的潛力，了解器件在影響性能和效率的條件下的響應(yīng)至關(guān)重要。

SemiQ的工程師們進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，展示了MOSFET在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的行為。這些測(cè)試提供了重要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，指示如何最佳地利用SiC的熱和電特性。

這些測(cè)試一直延續(xù)到QSIC 1.2 kV SiC MOSFET模塊的制造過程中，所有部件都經(jīng)過測(cè)試至1.4 kV以確保可靠性。為了保證每個(gè)模塊的穩(wěn)定柵極閾值電壓和柵極氧化物質(zhì)量，SemiQ在晶圓級(jí)別進(jìn)行柵極老化測(cè)試。除了老化測(cè)試外，還包括各種應(yīng)力測(cè)試，如柵極應(yīng)力、高溫反偏(HTRB)漏極應(yīng)力，以及結(jié)合高濕度、高電壓和高溫度應(yīng)力測(cè)試(H3TRB)，以確保部件符合汽車和工業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

在公司對(duì)SiC器件進(jìn)行特性化的工作中，SemiQ展示了在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻的負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù)如何影響需要最大可靠性的設(shè)計(jì)決策。公司在校準(zhǔn)的烤箱中使用Keysight B1505A功率器件分析儀對(duì)其1.2 kV SiC MOSFET進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。為了確保環(huán)境溫度的影響清晰顯示，實(shí)驗(yàn)僅在烤箱設(shè)定到目標(biāo)溫度并經(jīng)過足夠時(shí)間使器件加熱或冷卻到正確水平后進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過使用短脈沖寬度和低占空比來(lái)減輕自熱效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)表明，在室溫附近，SiC MOSFET的RDS(on)達(dá)到最小值。低于此溫度，電阻可能根據(jù)所施加的柵源電壓顯著增加。較低的電壓增加了溫度敏感性，增加了溫度系數(shù)轉(zhuǎn)向正的溫度。

低于室溫的負(fù)溫度系數(shù)對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的器件有影響。如果系統(tǒng)在低溫環(huán)境下啟動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)器件通過更多電流并因熱失控而過載。然而，將柵源電壓增加到約18 V-20 V可以降低系數(shù)并增加不平衡發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)。

盡管閾值電壓隨著溫度升高而降低，但由于帶隙電壓的降低，維持高柵源電壓對(duì)整體器件性能至關(guān)重要。即使在較高溫度下也是如此。實(shí)驗(yàn)顯示，漏極電流隨溫度升高而減少，多個(gè)因素導(dǎo)致這一響應(yīng)，包括載流子遷移率隨溫度變化以及帶隙減少，這影響了本征載流子濃度。這也導(dǎo)致閾值電壓隨溫度依賴性降低。

然而，當(dāng)柵源電壓增加時(shí)，SiC MOSFET將繼續(xù)顯著改善RDS(on)。盡管10 V高于SiC MOSFET的典型閾值電壓，但在此水平下的導(dǎo)通損耗很可能導(dǎo)致器件熱失控。在20 V或更高電壓下運(yùn)行可提供更好的整體性能。當(dāng)器件關(guān)閉時(shí)，由于閾值電壓的溫度依賴性，SemiQ的建議是維持-5 V的柵極偏置。這種低電壓防止任何意外的寄生導(dǎo)通效應(yīng)，并確保在高達(dá)175°C的溫度下正確行為，此時(shí)閾值電壓可能從典型的3 V降至僅1.8 V。

在高溫下，SiC MOSFET的正溫度系數(shù)會(huì)增加導(dǎo)通損耗。然而，考慮漏極電流的影響也很重要，它可能顯著影響損耗。通常，導(dǎo)通電阻隨漏極電流增加。從20 A增加到120 A時(shí)，電阻增加約50%。結(jié)合電阻隨溫度的增加，這可能導(dǎo)致SemiQ的1.2 kV SiC MOSFET在通過120 A電流時(shí)，在175°C下的電阻從低于40 mΩ增加到約140 mΩ。電路設(shè)計(jì)者可能選擇并聯(lián)運(yùn)行器件，以通過每個(gè)器件的電流較少，從而盡可能保持導(dǎo)通電阻低。

圖2展示了在不同溫度(-55°C、25°C、125°C和175°C)下導(dǎo)通電阻與漏極電流的關(guān)系。在-55°C和25°C下，器件表現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻和較小的變異性，相比于在125°C和175°C下觀察到的。通常，SiC MOSFET在較低溫度下顯示負(fù)溫度系數(shù)(NTC)，直到達(dá)到特定閾值，然后過渡到正溫度系數(shù)(PTC)。

體二極管對(duì)開關(guān)行為的影響是電路設(shè)計(jì)者可以充分利用SiC特性并使用更高開關(guān)頻率的另一個(gè)領(lǐng)域。體二極管的一個(gè)效應(yīng)是反向恢復(fù)電流，這是由MOSFET體二極管中的少數(shù)載流子在器件重新導(dǎo)通時(shí)被清除引起的。這種反向恢復(fù)電流轉(zhuǎn)化為能量損耗，直接影響功率轉(zhuǎn)換器的效率。SiC器件中體二極管的正向電壓也比硅器件高。因此，避免在開關(guān)周期的死區(qū)時(shí)間外使用體二極管對(duì)于最小化損耗很重要。

然而，與傳統(tǒng)硅器件相比，基于SiC工藝構(gòu)建的器件在關(guān)閉時(shí)表現(xiàn)出短的恢復(fù)時(shí)間。這種減少提供了增加開關(guān)頻率的機(jī)會(huì)。這反過來(lái)又允許設(shè)計(jì)者在支持電路中使用更小的外部無(wú)源組件，這有助于減少功率轉(zhuǎn)換器的體積和成本。

雙脈沖測(cè)試(DPT)提供了對(duì)詳細(xì)導(dǎo)通和關(guān)斷性能的寶貴見解。DPT在不同電流水平下打開和關(guān)閉晶體管。通過調(diào)整開關(guān)時(shí)間，可以在整個(gè)工作條件下觀察波形。使用兩個(gè)脈沖很重要，因?yàn)樗试S評(píng)估反向恢復(fù)電流。其他效應(yīng)包括由電流隨時(shí)間的高變化(di/dt)引起的振鈴，這可能與器件中的寄生電感和電容相互作用，形成諧振LC電路。

SemiQ對(duì)TO-263-7L封裝中的器件進(jìn)行了測(cè)試，以研究溫度對(duì)此行為的影響。在這種測(cè)試配置中，只有被測(cè)器件受到加熱，并使用表面貼裝焊盤將其連接到PCB。使用校準(zhǔn)的外部夾式加熱器來(lái)維持受控溫度。

測(cè)試表明，反向恢復(fù)時(shí)間隨溫度升高而增加。這導(dǎo)致在高溫下導(dǎo)通損耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。然而，關(guān)斷損耗保持相對(duì)恒定。測(cè)試還顯示，導(dǎo)通波形比關(guān)斷波形有更高的振鈴。盡管關(guān)斷涉及電壓的快速變化，但寄生元件在此階段可能不會(huì)形成強(qiáng)大的諧振LC電路，導(dǎo)致相對(duì)較低的振鈴。結(jié)果是，專注于減少體二極管和振鈴效應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，特別是如果器件預(yù)計(jì)在溫度范圍的高端運(yùn)行，在導(dǎo)通階段最為重要。

盡管器件制造商通常會(huì)設(shè)定安全裕度以確保MOSFET能承受其額定擊穿電壓，但測(cè)試顯示，該電壓隨溫度升高而增加。以1.2 kV SiC MOSFET為例，該器件在-50°C時(shí)顯示出至少1520 V的擊穿電壓，在150°C時(shí)上升到1570 V。盡管漏電流也隨溫度升高而增加，主要是由于載流子的熱產(chǎn)生，但擊穿電壓的正溫度系數(shù)在實(shí)踐中掩蓋了這一效應(yīng)。

對(duì)1.2 kV SiC MOSFET行為的仔細(xì)研究提供了有關(guān)此類器件靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的寶貴信息。對(duì)于旨在利用SiC處理更高功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，考慮溫度依賴性損耗至關(guān)重要。導(dǎo)通損耗在高溫下呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但關(guān)斷損耗保持相對(duì)恒定。通過關(guān)注這些差異，設(shè)計(jì)者可以補(bǔ)償這些效應(yīng)，并獲得SiC技術(shù)所提供的全部效率改進(jìn)，正如公司的QSIC 1.2 kV MOSFET模塊所展示的那樣。

憑借超過5400萬(wàn)小時(shí)的HTRB和H3TRB應(yīng)力測(cè)試支持，這些模塊實(shí)現(xiàn)了高達(dá)98%的功率轉(zhuǎn)換效率，有助于提高熱穩(wěn)定性和增強(qiáng)可靠性。這些優(yōu)勢(shì)使SiC模塊成為包括直流電源設(shè)備、逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車充電站等在內(nèi)的廣泛應(yīng)用的理想選擇。