碳化硅mos管的優(yōu)缺點介紹,驅(qū)動電路設(shè)計解析
碳化硅MOS管深度解析
碳化硅MOS管深度解析
碳化硅（SiC），作為碳元素與硅元素構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料，憑借其卓越的物理特性，成為制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的優(yōu)質(zhì)之選。相較于傳統(tǒng)硅材料（Si），碳化硅展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢：其禁帶寬度為硅的3倍，導(dǎo)熱率為硅的4-5倍，擊穿電壓可達硅的8-10倍，電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，完美契合現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的迫切需求，廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風(fēng)電、5G通信等下游領(lǐng)域，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、MOSFET已實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
碳化硅器件在耐壓、開關(guān)頻率、散熱能力及損耗等關(guān)鍵指標(biāo)上大幅超越硅基器件。除禁帶寬度優(yōu)勢外，碳化硅材料還具備更高飽和電子遷移速度、熱導(dǎo)率以及更低導(dǎo)通阻抗，使得碳化硅器件相較于硅基器件具備諸多顯著優(yōu)勢：更低的阻抗有助于縮小產(chǎn)品體積、提升轉(zhuǎn)換效率；更高的工作頻率（可達硅基器件10倍且效率不隨頻率升高而降低）可有效降低能量損耗；更強的高溫運行能力則使冷卻系統(tǒng)得以簡化。
從材料到半導(dǎo)體功率器件，碳化硅需歷經(jīng)單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設(shè)計、制造、封裝等一系列復(fù)雜工藝流程。合成碳化硅粉后，先制備碳化硅晶錠，經(jīng)切片、打磨、拋光得碳化硅襯底，再經(jīng)外延生長得外延片。隨后，通過光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝制得碳化硅晶圓，將其切割成die并封裝，最終將器件組合放入特殊外殼組裝成模組。
碳化硅（SiC）MOS管作為新型功率器件，與傳統(tǒng)硅基功率器件相比，在特定條件下優(yōu)勢獨特，但也存在不足。其具備高溫特性優(yōu)異（能在高溫下正常工作且熱穩(wěn)定性高）、高頻特性好（電子遷移速度快、損耗小，在高頻場合性能佳）、開關(guān)速度快（門電容小，可實現(xiàn)更快開關(guān)速度與更高效率）、導(dǎo)通損耗小（導(dǎo)通電阻遠低于硅MOSFET，利于減少導(dǎo)通損耗）、體積小重量輕（采用更小尺寸芯片，可提高功率器件集成度）等優(yōu)點；然而，碳化硅MOS管也面臨制造工藝難度大（需更高難度材料與工藝，導(dǎo)致成本高）、技術(shù)有待成熟（商業(yè)化應(yīng)用較新，技術(shù)與市場認可度待提升）、可靠性問題（材料缺陷與器件壽命致可靠性有待提高）等挑戰(zhàn)。
碳化硅器件驅(qū)動電路設(shè)計建議如下：
驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求
碳化硅MOS管在高頻開關(guān)場合應(yīng)用時，受寄生參數(shù)影響顯著。由于其柵極開啟電壓較低，易因電路串?dāng)_誤導(dǎo)通，通常建議采用柵極負壓關(guān)斷。為使SiCMOS管更易替代IGBT，各半導(dǎo)體廠家在SiCMOSFET設(shè)計中使其驅(qū)動特性接近硅IGBT。常規(guī)碳化硅器件驅(qū)動電壓約+18V，部分應(yīng)用中可使用15V柵極開通電壓，更低可達+12V，而柵極關(guān)斷電壓最低約-5V。理想的SiCMOSFET驅(qū)動芯片應(yīng)覆蓋多種柵極開通與關(guān)斷電壓需求，至少供電電壓壓差Vpos-Vneg需達25V。
盡管SiCMOSFET柵極電容小，驅(qū)動功率需求遠低于傳統(tǒng)IGBT，但為滿足高頻應(yīng)用快速開通關(guān)斷要求，需為SiCMOS選擇具較大峰值輸出電流的驅(qū)動芯片。若輸出脈沖上升、下降速度快，則驅(qū)動效果更佳，這意味著驅(qū)動芯片的上升、下降時間參數(shù)需較小。
盡管SiCMOSFET柵極電容小，驅(qū)動功率需求遠低于傳統(tǒng)IGBT，但為滿足高頻應(yīng)用快速開通關(guān)斷要求，需為SiCMOS選擇具較大峰值輸出電流的驅(qū)動芯片。若輸出脈沖上升、下降速度快，則驅(qū)動效果更佳，這意味著驅(qū)動芯片的上升、下降時間參數(shù)需較小。
滿足較短死區(qū)時間設(shè)定的要求
在橋式電路結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時間設(shè)定對系統(tǒng)可靠運行至關(guān)重要。SiCMOSFET開關(guān)速度較傳統(tǒng)IGBT大幅提高，許多實際應(yīng)用希望借此提升工作頻率，進而提高系統(tǒng)功率密度，這意味著系統(tǒng)設(shè)計需匹配較小死區(qū)時間設(shè)定。同時，較短死區(qū)時間設(shè)定可保證逆變系統(tǒng)輸出電壓質(zhì)量更高。死區(qū)時間計算需考慮開關(guān)器件本身的開通與關(guān)斷時間（尤其是小電流下開關(guān)時間）以及驅(qū)動芯片的傳輸延時。對于開關(guān)速度快的器件，芯片延時在死區(qū)設(shè)定考量中占比更大。在隔離型驅(qū)動設(shè)計中，采用一拖一驅(qū)動方式時，芯片間參數(shù)匹配差異也需在死區(qū)設(shè)定時考量。為滿足較小死區(qū)時間要求，選擇驅(qū)動芯片時需參考其傳輸延時時間參數(shù)以及芯片對芯片的匹配延時。
芯片所帶的保護功能
短路保護
SiCMOSFET與傳統(tǒng)硅MOSFET短路特性有異，不同型號SiCMOSFET短路承受能力不同，但短路保護響應(yīng)時間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測方法，根據(jù)開關(guān)管輸出特性，SiCMOSFET漏源極電壓可反映電流變化。與硅IGBT相比，SiCMOSFET輸出特性曲線線性區(qū)與飽和區(qū)過渡不明顯，短路或過流時電流上升快，保護電路需更快響應(yīng)速度。針對此需求，需選擇檢測速度快、響應(yīng)時間短的驅(qū)動芯片進行保護電路設(shè)計。基于IGBT設(shè)計經(jīng)驗，每次開通時需設(shè)定消隱時間，避免開通前期Vce電壓下降導(dǎo)致DSAET誤觸發(fā)。這對本就僅3us的SiCMOSFET短路保護電路設(shè)計提出更高要求，需驅(qū)動芯片DESAT相關(guān)參數(shù)精度更高，同時優(yōu)化驅(qū)動電路PCB設(shè)計，減小環(huán)路寄生電感影響。
有源米勒箝位
SiCMOSFET柵極開啟電壓低且寄生電容小，對驅(qū)動電路寄生參數(shù)更敏感，易誤觸發(fā)，故常推薦負壓關(guān)斷。但SiCMOSFET能承受的柵極負壓范圍小，過大的負向電壓尖峰可能擊穿開關(guān)管，部分廠家推薦較高負壓或0V關(guān)斷。此情況下，為防止關(guān)斷期間因米勒效應(yīng)誤觸發(fā)，可采用帶有有源米勒箝位功能的驅(qū)動芯片進行設(shè)計。
芯片抗干擾性（CMTI）
配合SiCMOSFET使用的驅(qū)動芯片，處于高頻應(yīng)用環(huán)境，需具備高抗干擾度。常用于評估驅(qū)動芯片抗擾度的參數(shù)為CMTI。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，磁隔離型驅(qū)動芯片抗擾性測量方法兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，與SiCMOSFE開通和關(guān)斷迅速的工作特性相似，故CMTI參數(shù)可作為衡量用于驅(qū)動SiCMOSFE的驅(qū)動芯片抗擾度的技術(shù)參考。
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