碳化硅mosfet結(jié)構(gòu)特征-應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與Si MOSFET對(duì)比分析

什么是碳化硅mosfet

在碳化硅mosfet的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級(jí)的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。

碳化硅mosfet結(jié)構(gòu)

碳化硅mosfet（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時(shí)有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長(zhǎng)方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：

碳化硅mosfet采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。

SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)

碳化硅mosfet的優(yōu)勢(shì)在哪里？硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開(kāi)關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的工作頻率。

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路來(lái)說(shuō)（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪音，便于提高開(kāi)關(guān)工作頻率。

碳化硅mosfet的應(yīng)用

碳化硅mosfet模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車(chē)及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢(shì)，可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制，這是目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開(kāi)發(fā)的混合電動(dòng)汽車(chē)（HEV）、純電動(dòng)汽車(chē)（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。

三菱開(kāi)發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)汽車(chē)上。

碳化硅mosfet分類(lèi)

SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國(guó)的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對(duì)于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

碳化硅mosfet與其他相比

SiC材料與目前應(yīng)該廣泛的Si材料相比，較高的熱導(dǎo)率決定了其高電流密度的特性，較高的禁帶寬度又決定了SiC器件的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高工作溫度。其優(yōu)點(diǎn)主要可以概括為以下幾點(diǎn)：

1) 高溫工作

SiC在物理特性上擁有高度穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，其能帶寬度可達(dá)2.2eV至3.3eV，幾乎是Si材料的兩倍以上。因此，SiC所能承受的溫度更高，一般而言，SiC器件所能達(dá)到的最大工作溫度可到600 oC。

2) 高阻斷電壓

與Si材料相比，SiC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的十倍多，因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。

3) 低損耗

一般而言，半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗與其擊穿場(chǎng)強(qiáng)成反比，故在相似的功率等級(jí)下，SiC器件的導(dǎo)通損耗比Si器件小很多。且SiC器件導(dǎo)通損耗對(duì)溫度的依存度很小，SiC器件的導(dǎo)通損耗 隨溫度的變化很小，這與傳統(tǒng)的Si器件也有很大差別。

4) 開(kāi)關(guān)速度快

SiC的熱導(dǎo)系數(shù)幾乎是Si材料的2.5倍，飽和電子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的頻率下工作。

綜合以上優(yōu)點(diǎn)，在相同的功率等級(jí)下，設(shè)備中功率器件的數(shù)量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小，同時(shí)效率也有大幅度的提升。

在碳化硅mosfet的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級(jí)的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。

碳化硅mosfet應(yīng)用技術(shù)

1、碳化硅(SiC)MOSFET 建模

雖然碳化硅mosfet比傳統(tǒng)的Si MOSFET有很多優(yōu)點(diǎn)，但其昂貴的價(jià)格卻限制了SiC MOSFET的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著SiC技術(shù)的成熟，SiC MOSFET的價(jià)格已經(jīng)有了顯著的下降，應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)展，在不久的將來(lái)必將成為新一代主流的低損耗功率器件。 在實(shí)際的工程應(yīng)用及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)特性、靜態(tài)特性及功率損耗進(jìn)行分析，以便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率做有效的評(píng)估。因此，有必要建立一個(gè)精確的SiC MOSFET模型作為工程應(yīng)用中系統(tǒng)分析和效率評(píng)估的基礎(chǔ)。

2、碳化硅mosfet的驅(qū)動(dòng)

由于SiC MOSFET器件特性與傳統(tǒng)的Si MOSFET有較大差別，SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路也是一項(xiàng)研究的重點(diǎn)。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生電容更小。

綜上所述，結(jié)合SiC MOSFET本身的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

1) 滿(mǎn)足SiC MOSFET高速開(kāi)關(guān)的要求，使用驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)芯片。

2) 盡量減小驅(qū)動(dòng)電路寄生電感的影響，在PCB布局時(shí)應(yīng)加入適量的吸收電容。

3) 為保證SiC MOSFET的可靠關(guān)斷，避免噪聲干擾可能導(dǎo)致的誤開(kāi)通，應(yīng)采用負(fù)壓關(guān)斷。

3、雙有源橋(DAB)研究及應(yīng)用

雙有源橋(DAB)作為大功率隔離雙向DC-DC變換器的一種，其拓?fù)渥钤缬蒁eDoncker于1988年提出DAB主要應(yīng)用于HEV中蓄電池側(cè)與高壓直流母線(xiàn)之間的雙向能量傳輸、航空電源系統(tǒng)及新能源系統(tǒng)中，與其他大功率隔離雙向DC-DC變換器相比，DAB的最大優(yōu)勢(shì)是其功率密度大，且體積重量相對(duì)較小。

DAB結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，兩邊各由全橋結(jié)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)成，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，且能實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的電氣隔離。開(kāi)關(guān)管應(yīng)力較低，且沒(méi)有額外的濾波電感，僅通過(guò)變壓器的漏感作為能量傳輸單元，變換器可實(shí)現(xiàn)很高的功率密度。電流紋波不是很大，對(duì)輸入輸出側(cè)的濾波電容的要求不是很高。DAB在一定功率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開(kāi)關(guān)，這樣DAB的工作頻率就可以設(shè)置得較高，可進(jìn)一步減小變壓器和濾波電容的體積，提高功率密度。

傳統(tǒng)的DAB一般采用移相控制，其中φ為移相角，變壓器原副邊匝比設(shè)為n。當(dāng)功率從VL流向VH時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q1、Q4超前Q5、Q8；當(dāng)功率從VH流向VL時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q5、Q8超前Q1、Q4。但傳統(tǒng)控制策略下的DAB有諸多問(wèn)題，比如軟開(kāi)關(guān)范圍窄、輕載時(shí)功率回流現(xiàn)象嚴(yán)重、電壓輸入范圍窄等。

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