从美国早期的“民兵导弹”计划，以及“硅谷八叛将”思索更有效的办公室空气过滤能否提高工作效率开始，半导体行业经历了漫长的发展过程。近几年来，半导体更是极大地推动了能源的高效转换。
作者：安富利工程师Thomas Hauer
在这一趋势下，导通电阻（RDSON ）值在低mΩ范围内的硅MOSFET已成为常见的低压器件，但MOSFET的阻断电压越高，RDSON 值就越高。由于具有如此高的RDSON ，MOSFET器件仍然不适合高压和大功率应用。在这类应用中，只能使用IGBT器件。后来证明，碳化硅（SiC）可以用于制造MOSFET器件，使电路的效率比以往使用IGBT时更高。最近，SiC引起了广泛关注，这不仅是因为它的特性，还因为该器件与IGBT相比，价格更具竞争力。另一方面，半导体制造商还在系统层面采取了长期投资的策略，以保证碳化硅MOSFET的供应。毫无疑问，意法半导体是首屈一指的碳化硅器件供应商。过去几年，意法半导体在研发方面投入巨大，面向市场推出了非常全面的产品组合。此外，该公司还在材料供应方面进行了大量投资，所采取的一系列战略举措包括：2019年，意法半导体完成了对瑞典碳化硅晶圆制造商Norstel AB的收购，并与科锐（Cree）签署了多年供货协议；后来在2020年初，与罗姆集团旗下的SiCrystal签署了碳化硅晶圆长期供应协议。这种策略对于意法半导体而言，非常有效。因而，该公司成为了快速增长的SiC市场的领头羊。下面，我们将针对SiC器件进行一些具体的讨论。
碳化硅，一种不怎么新的材料
史上最早记载的关于SiC材料的实验发生在1849年左右，当时这种材料已被广泛用于制作防弹衣或者磨料。IGBT的发明者之一在1993年的文献[1]中讨论了与硅(Si)器件相比，不同SiC材料所具有的优越性能。表1显示了在文献[1]和[2]中讨论过的不同材料的数值，这些数值让我们看到了SiC材料有趣的一面。当掺杂浓度为4:8x1016cm-3时，SiC的击穿电场强度Ec 比Si高一个数量级。较高的饱和漂移速度 vSAT 以及较高的带隙电压Eg也很突出。一个有趣的数据是热导率。SiC材料在这方面的性能是Si的两倍以上，这给封装和封装密度以及电流处理能力创造了新的可能性。但是，该文献[1]的发布是在1993年，而SiC在市场上越来越受欢迎也就是最近几年的事情。这说明在SiC的应用之路上必然存在着一些障碍，是必须要解决的，比如合适的碳化硅大块单晶生长工艺。对于Si，采用Czochralski法生长大块单晶的工艺已经非常完善，也很容易被人们理解。这种硅大块单晶的生长速度是每小时几米。但是，此种方法并不适用于SiC大块单晶的生长。生长SiC晶体，必须采用物理气相传输（PVT）法。在坩埚的顶部放置籽晶，在底部放置SiC原材料，将坩埚加热至2000-2500℃左右。高温会使坩埚底部的粉料升华，在籽晶表面沉淀结晶，形成碳化硅晶体。遗憾的是，该方法没有采用Czochralski法生长单晶的速度快，最终SiC大块单晶的生长速度只有每小时几毫米，这比硅的生长速度慢很多。而且，该工艺目前尚不成熟，材料内部存在相对较高的缺陷密度，文献[2]中对此有详细描述。
表1：Si与6H-SiC、4H-SiC以及GaN的对比
表1中还列出了GaN的材料特性。目前，这种材料及其产品也在市场上引起了一些轰动，但是它的吸引力暂时还没有SiC那么大，主要用于600Vin左右以及600Vin以下的高频器件。这类产品肯定有用武之地，但在撰写这篇文章时，GaN的产品种类还没有SiC的产品种类那么多，半导体厂商对SiC的关注度也比对GaN的关注度高。因为SiC的制造工艺有很多地方都与Si非常相似，并且许多机器设备都可以同时用于这两种材料的生产，这显示是一种优势。
器件特性及其栅极驱动
我们已经详细介绍了SiC材料的特性，并了解到在高能应用中，它的性能比Si更优越。下面我们将进一步研究器件和应用。如上文所述，意法半导体是SiC市场的领导者之一。图1展示了意法半导体的产品组合。
图1：在意法半导体的产品组合中，SiC 功率MOSFET的产品布局，STPOWER
从产品的工作电压范围来看，SiC MOSFET与Si MOSFET的工作电压范围有重合，同时它们与IGBT的工作电压范围也有重合。在较低的电压范围内，Si MOSFET的性能与SiC器件非常接近，但SiC器件具有较低的栅极电荷和更好的热性能。在另一端的是IGBT器件，由于SiC MOSFET拥有低RDSon，其表现明显要优于IGBT, 更不用说它们还具有较低的栅极电荷了。
如何驱动SiC MOSFET
鉴于其优越的材料特性，我们需要思考如何控制这些器件以使其达到最佳工作状态。我们所知道的是，Si MOSFET需要一个正的栅极电压，建议该电压在12V左右甚至更低，负栅极电压应是接地电位。IGBT的栅极驱动电压不对称，即正栅极电压为15V左右，负栅极电压为-5V左右。
图2：SCT30N120输出特性（Tj = 25 °C）
SiC MOSFET基本上可以在Si MOSFET或IGBT的电压等级下工作，但这不是最佳参数。理想情况下，SiC MOSFET需要的栅极电压是20V，以便在最小RDSon值下接通开关。当用0V电压关断SiC MOSFET时，必须考虑MOS管的米勒效应。当该器件用于桥式配置时，这种效应可能会带来问题，尤其是当一个SiC MOSFET被接通，第二个SiC MOSFET在其漏极端子中产生电压浪涌，并由于寄生电容充电而被意外导通的状况下，会带来非常不利的影响。这种开启方式会造成高压对地短路，从而损坏电路。
但SiC器件可以在低于20V的栅极电压下工作，而从图2中可以看出，此时的输出特性变化很大。因此我们可以得出结论：较低的栅极电压会导致系统的整体效率降低。即使在足够高的栅极电压下，可通过优化SiC MOSFET栅极驱动电路实现低RDSon ，也只完成了优化损耗工作的一半。如同文献[3]中所示，开关损耗是另一个可以优化的部分。文献[3]中使用了STGAPxx MOSFET驱动器来驱动SiC MOSFET。如图3和图4所示，STGAPxx MOSFET驱动器分为两种。图3中的示意图显示了，当使用双极性栅极驱动电源时，如何完成对SiC MOSFET的栅极驱动。该双极性栅极驱动电压并不是上面所说的一项强制性要求，但它有助于将米勒效应降至最低，并创造出更好的、可控的通断开关。图4是有源米勒箝位的示意图，它使设计者能够使用单极性的栅极驱动电源。
图3：STGAP2SICS的半桥配置和独立的栅极驱动路径
图4：STGAP2SICS的半桥配置和内置米勒箝位功能的组合栅极驱动路径
摘自文献[3]中的图5和图6显示了，优化栅极驱动电路中的电阻设计时，所产生的能量损耗差异。采用10还是1的区别在于是否可以避免250µJ的损失。这张图还表明，开关损耗不是对称的，这意味着开启时的损耗与关断时的损耗是不同的。另外值得注意的是，如果需要较长的关断时间来获得更好的EMI性能，由于斜率较低，因此不会像开启时那样严重影响效率。
图5：文献[3]中所测试和计算的Eoff与Rg的关系，VDD=800 V、ID=20 A、VGS=-2 V～20 V、Tj=25 °C
图6：文献[3]中所测试和计算的Eon与Rg的关系，VDD=800 V、ID=20 A、VGS=-2 V～20 V、Tj=25 °C
在比较IGBT与SiC时，还有一点需要注意：SiC MOSFET与IGBT的主要区别是在关闭器件时，如要完全关断，IGBT就需要彻底扫除其少数载流子，而载流子的传输发生在IGBT已经关断，并且集电极和发射极之间的电压达到最大时，这就会给IGBT带来极大的开关损耗。但这种“尾流”效应在SiC MOSFET中是不存在的，因此SiC MOSFET在关断时的能量损耗更少。
总结
本文所探讨的参数和特性让我们在进行电力电子设计时对某些方面有了新的认知。当前和未来的电子设计，如电池充电器、马达和太阳能光伏逆变器等，都将因为SiC器件的使用而获得极大的提升。这些新器件不仅能够提高效率，还能让设备的尺寸变得更加小巧，在大功率和高温的状态下正常运转。但是让人们对创新设计和SiC的未来产生好奇的，不仅仅是器件的特性，还有意法半导体的战略。该公司在这项技术的研发上投入了大量的资源，将为业界带来性能更好的SiC器件和更广阔的发展前景，值得大家期待！
