【導讀】SiC MOSFET 在(zai)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)市(shi)場(chang)中(zhong)正(zheng)迅(xun)速(su)普(pu)及(ji)
，因(yin)為(wei)它(ta)最(zui)初(chu)的(de)一(yi)些(xie)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)已(yi)得(de)到(dao)解(jie)決(jue)，並(bing)且(qie)價(jia)位(wei)已(yi)達(da)到(dao)非(fei)常(chang)有(you)吸(xi)引(yin)力(li)的(de)水(shui)平(ping)。隨(sui)著(zhe)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)器(qi)件(jian)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)，必(bi)須(xu)了(le)解(jie) SiC MOSFET 與 IGBT 之間的共性和差異，以便用戶充分利用每種器件。本係列文章將概述安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的關鍵特性及驅動條件對它的影響
，作為安森美提供的全方位寬禁帶生態係統的一部分，還將提供 NCP51705（用於 SiC MOSFET 的隔離柵極驅動器）的使用指南。本文為第一部分，將重點介紹安森美M 1 1200 V SiC MOSFET的靜態特性。

碳化矽 (SiC) 是用於製造分立功率半導體的寬禁帶 (WBG) 半導體材料係列的一部分。如表 1 所示
，傳統矽 (Si) MOSFET 的帶隙能量為 1.12 eV，而 SiC MOSFET 的帶隙能量則為 3.26 eV。

SiC 和氮化镓 (GaN) 具有更寬的帶隙能量，意味著將電子從價帶移動到導帶需要大約 3 倍的能量，從而使材料的表現更像絕緣體而不像導體。這使得 WBG 半導體能夠承受更高的擊穿電壓，其擊穿場穩健性是矽的 10 倍。對於給定的額定電壓
，較高的擊穿場可以減小器件的厚度
，從而轉化為較低的導通電阻和較高的電流能力。SiC 和 GaN 都具有與矽相同數量級的遷移率參數，這使得兩種材料都非常適合高頻開關應用。SiC 的熱導率是矽和 GaN 的三倍。對於給定的功耗，較高的熱導率將轉化為較低的溫升。

特定所需擊穿電壓的 R_DS(ON)是 MOSFET的一部分，它與遷移率乘以臨界擊穿場的立方成反比。即使 SiC 的遷移率低於矽，但其臨界擊穿場高 10 倍，導致給定擊穿電壓的 R_DS(ON)要低得多。

商用 SiC MOSFET 的保證最高工作溫度為 150℃< T_J< 200℃。相比之下，可以實現高達 600℃ 的 SiC 結溫，但其主要受鍵合和封裝技術的限製。這使得 SiC 成為適用於高壓、高速、高電流、高溫
、開關電源應用的優質 WBG 半導體材料。

表 1：半導體材料屬性

SiC MOSFET 通常在 650 V < BVDSS < 1.7 kV 範圍內可用。盡管 SiC MOSFET 的動態開關行為與標準矽 MOSFET 非常相似
，但必須考慮其器件特性決定的獨特柵極驅動要求。

靜態特性

阻斷電壓能力

安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的額定電壓為 1200 V，具有每個特定器件的數據表中規定的最大零柵極電壓漏極電流 (I_DSS)。然而，SiC MOSFET 的阻斷電壓能力會隨著溫度的升高而降低。以 1200 V 20 m SiC MOSFET 電源模塊為例，與 25℃ 時的值相比，−40℃ 時阻斷電壓 (V_DS) 的典型降額約為 11%。即使安森美的器件通常留有一些裕度，在設計期間，也應考慮 V_DS 的降額，尤其是在器件將在極低溫度下運行時。在圖 1 中可以看到擊穿電壓與溫度的典型分布。

重要提示：這些是典型的參考值
，無法保證一定會實現
，請參考數據表中的值或聯係您當地的技術支持人員。

圖 1：V_DS 與溫度的典型分布

RDS(ON) 特性和驅動安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的推薦 VGS

與矽相關產品相比
，SiC MOSFET 的主要區別之一是漏極-源極電壓 (V_DS) 與特定漏極電流 (I_D) 的柵源電壓 (V_GS) 的相關性
，並且在這個安森美 1200 V SiC MOSFET 中也不例外。圖 2 顯示傳統的 Si MOSFET 在線性（歐姆）和有源區（飽和）之間顯示出明顯的過渡。另一方麵
，參見圖 3，SiC MOSFET 並不會出現這種狀況

，實際上沒有飽和區，這意味著 SiC MOSFET 的表現更像是可變電阻，而不是非理想型的電流源。

圖 2：SJ MOSFET 的典型靜態特性圖片圖片

圖 3：安森美 1200 V SiC MOSFET M 1 的典型靜態特性

在選擇適當的 V_GS 時需要考慮的一個重要方麵是
，與矽基器件不同，當 V_GS 增加時，即使在相對較高的電壓下，SiC MOSFET 也仍會表現出 R_DS(ON)的顯著改善。這可以從圖 3 中看出：當 V_GS增加時，曲線向左移動。如果我們看一下圖 2，當 V_GS >> V_Th 時，Si MOSFET 的 R_DS(ON) 未表現出顯著改善

，因此，大多數 Si MOSFET 通常以 V_GS≤ 10 V 驅動。因此，如果用 SiC 替換 Si MOSFET
，建議修改驅動電壓。盡管 10 V 高於 SiC MOSFET 的典型閾值電壓
，但在如此低的 V_GS 下的傳導損耗很可能會導致器件的熱失控。這是建議使用 V_GS ≥ 18 V 來驅動安森美 1200 V M 1 SiC MOSFET 的原因之一。

如果選擇的電壓過高，則會在柵極氧化物中引入更高的應力，這可能導致長期可靠性問題或關鍵特性變化，如 V_TH 漂移。在資質認定階段，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 經過大量測試
，以確定 + 25 V 的最大柵極電壓。例如，在圖 4 中，正柵極偏壓應力測試的結果以綠色顯示。與其他供應商相比，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 在持續施加 + 25 V 電壓時表現出良好的穩定性。

圖 4：正柵極偏壓應力測試。測試條件：V_GS = 25 V
，T = 175℃

即使采用最佳布局和最少電感封裝，也無法避免管芯柵極處的瞬態電壓尖峰。為了不超過 + 25 V 的勢壘，建議最大向 MOSFET 施加 V_GS ≤ 20 V 的恒定電壓。

R_DS(ON)，溫度相關性

需要考慮的另一個因素是 SiC MOSFET 的溫度係數。在低溫下，SiC MOSFET 通常呈現負溫度係數 (NTC)
，直到其達到某一溫度並開始具有正溫度係數 (PTC)。這個轉折點受 V_GS 影響。在較低的 V_GS 下，NTC 會一直持續到較高的溫度，而如果這個電壓增加

，則轉折點將在較低的溫度下發生。在圖 5 中，可以看出安森美 M 1 SiC MOSFET 在不同 V_GS 下 R_DS(ON) 與溫度的典型相關性。如果我們觀察 V_GS = 15 V 時的曲線，NTC 在負溫度下非常陡峭

，在大約 50℃ 時仍然明顯，這導致高溫下的 R_DS(ON) 在所有情況下都低於負溫度下的 R_DS(ON)。如ru果guo兩liang個ge組zu件jian並bing聯lian切qie換huan，就jiu像xiang我wo們men的de許xu多duo電dian源yuan模mo塊kuai一yi樣yang，其qi中zhong一yi個ge組zu件jian可ke能neng會hui過guo載zai
，特te別bie是shi當dang器qi件jian在zai負fu環huan境jing溫wen度du下xia啟qi動dong時shi，可ke能neng會hui導dao致zhi熱re失shi控kong。如ru果guo V_GS 增加，此現象將得到糾正。在 18 V 時，溫度係數的轉折點約為 25℃，在 100℃ 時，R_DS(ON) 值已經高於 −40℃ 時的值
，這使其成為並聯切換器件的安全電壓
，即使在寒冷的環境中使用也是如此。

圖 5：不同 V_GS 下 R_DS(ON) 的溫度相關性

為了計算 SiC MOSFET 器件的靜態損耗或為了比較不同的供應商
，不僅要查看器件在 25℃ 時的 R_DS(ON)（通常在出於營銷目的而定義器件時使用），還要查看目標應用溫度下的 R_DS(ON)。如前一段所述，在某個轉折點之後，SiC MOSFET 會具有 PTC。個中好處已經解釋過了，但如果係數很高，25℃ 和應用中實際溫度下的 R_DS(ON)之間的差異會變得非常關鍵，導致在目標工作溫度下的傳導損耗顯著增加。在選擇 SiC MOSFET 時需要考慮這一點。

當溫度升高時
，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 在 R_DS(ON)方麵表現出良好的穩定性。圖 6 顯示了在不同漏極電流 (I_D) 下，20 m 器件在 25℃ 和 150℃ 時的差異。當 I_D = 50 A 時
，R_DS(ON) 增加了 33%，這足以確保良好的並聯工作，且不會導致靜態損耗顯著增加。

圖 6：1200 V、20 mΩ SiC MOSFET 電源模塊在不同溫度下的 V_DS 與 I_D

選擇負柵極偏壓

到目前為止，已經討論了用於定義正柵極偏壓的不同參數。結論是
，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的 V_GS 在靜態操作期間應設置為 + 18 V ≤ V_GS ≤ 20 V，而在動態瞬態中不應超過 + 25 V。但如何定義負柵極偏壓呢
？當然
，該值應足夠低，以確保器件正確關閉
，同時避免在那些容易產生直通電流的拓撲（如半橋）中出現寄生導通。

就 V_TH 而言，目前市場上有兩種類型的 SiC MOSFET
，即典型值高於 3.5V 的高閾值電壓 SiC MOSFET 和典型值低於 3V 至 3.5V 的低閾值電壓 SiC MOSFET。安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 屬於第二類，其典型 V_TH 值在 2.75 V 的範圍內（各個器件的具體值見數據表）。該值隨溫度變化，可能低至 1.8 V
，也可能高達 4.3 V。

在可能產生直通電流的應用中
，建議使用 − 5 V 的負柵極偏壓，以留有足夠的安全裕度

，避免寄生導通，尤其是在較高的開關頻率下。將負 V_TH 設置為 − 5 V 還應給予足夠的裕度，以避免瞬態柵極電壓低於在 −15 V 設置的最小限值。

在直通電流風險不存在（即升壓器拓撲）或借助現有技術而降低（即用寄生電感解耦半橋輸出）的情況下，負柵極偏壓可以增加到高達 0V 的任何安全值。這對器件的性能有其他影響，將在下一章進行討論。

與正柵極偏壓一樣，具有非常低的負柵極偏壓可能會觸發 SiC 晶體的缺陷，導致可靠性問題或關鍵參數的修改，例如 VTH 或 R_DS(ON) 漂移，這在談論負柵極偏壓和當前可用的 SiC 溝槽 MOSFET 時尤其關鍵。為了防止這些問題，安森美在設計中考慮了這一點
，並對 M 1 1200 V SiC MOSFET 進行了大量的靜態和動態測試
，以確認沒有漂移。圖 7 顯示了靜態負柵極偏壓的結果及其在 V_TH 方麵的影響。此外

，我們的生產線還進行了老化測試
，以限製過早發生故障的情況。

圖 7：負柵極偏壓應力測試。測試條件：V_GS = -20 V，T = 175 ℃

體二極管正向電壓 (V_f) vs. V_GS

眾所周知，與其他類型的二極管相比
，SiC MOSFET 的體二極管具有較高的正向電壓。在使用 SiC MOSFET shiyingkaolvzheyitexing，tongchang
，bujianyizaixuduotuopudesiqushijianzhiwaishiyong，yibimiangaosunhao。jianshaotierjiguanshiyongdeyizhongyouxiaofangshishizaixuyaofanxiangdaotongshijihuo MOSFET 的溝道。這樣做可以顯著減少損耗。

但是，對於在激活溝道之前需要死區時間的拓撲，即同步整流中的典型半橋，無法有效地停用體二極管，因為需要更多器件和/或修改電流路徑。此外
，即使采取許多預防措施，也可能無法完全避免在死區時間使用體二極管。安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 可以使用體二極管
，且不會導致可靠性下降或 MOSFET 主要參數出現重大漂移。

考慮到這一點，必須要知道 V_GS 將對體二極管的靜態性能產生影響。圖 8 顯示了當應用不同的 V_GS 時

，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的體二極管與正向電流 (I_f) 的 Vf相關性。如圖所示，當負柵極偏壓減小時，V_f 略微增加。此圖具有一些誤導性
，因為它可能會讓用戶得出將 V_GS 設置為 0 V 是最佳解決方案的結論。然而
，這個 V_f 較低的原因是 MOSFET 的溝道處於微導通狀態，所以外部看起來 V_f較jiao低di的de實shi際ji上shang是shi從cong體ti二er極ji管guan接jie收shou部bu分fen電dian流liu的de溝gou道dao。當dang二er極ji管guan停ting止zhi導dao通tong時shi，溝gou道dao仍reng將jiang保bao持chi微wei導dao通tong。根gen據ju開kai關guan拓tuo撲pu，這zhe可ke能neng會hui對dui總zong損sun耗hao產chan生sheng負fu麵mian影ying響xiang，並bing增zeng加jia泄xie漏lou。此ci外wai，在zai 0 V 時，開關損耗將急劇增加，具體稍後會進行解釋。這種現象在 SiC 技術中很常見，可以通過將 V_GS 降低到 −5 V 來避免。

圖 8：20 mΩ
、1200 V SiC MOSFET 模塊中不同 V_GS 的 V_f 與 I_f

V_TH，溫度相關性

在前幾章中，已經介紹了當施加正或負柵極偏壓時的 V_TH 漂移。影響 V_TH 的另一個因素是溫度。與所有 MOSFET 一樣，安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 具有負溫度係數。結果是，V_TH 可以從 25℃ 時的約 2.6 V 典型值降低到 175℃ 時的 1.8 V。圖 9 顯示了 40 mΩ 器件在不同溫度下的典型 V_TH 值。在設計柵極驅動器電路時必須考慮這一點，以避免不必要的寄生導通。再次重申，應在實際應用溫度下考慮此數據。例如
，與 125℃ 時相比，室溫下柵極處的 2 V 電壓尖峰觸發寄生導通的可能性更低。

圖 9：40 mΩ
、1200 V SiC MOSFET 中的典型 V_TH 值與溫度

為了在對寄生導通敏感的拓撲（如半橋）中保持安全裕度。建議在器件關閉時設置負 V_GS。

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