评估 SiC MOSFET 和 SiC IGBT

 

SiC IGBT 的电流比 SiC MOSFET 高，但需要与结势垒二极管配对，它是否会在中压应用中得到重要部署？

 

EDWARD VAN BRUNT，科锐公司 WOLFSPEED

 

研究人员对 4H-SiC 高压功率器件的痴迷程度几乎与高品质单晶材料在市场上出现的时间一样长。虽然电力行业倾向于关注需要额定阻断电压为 1200V 及以下的器件的应用，但高效的4H-SiC 中压功率器件（大致在 3.3kV 至 10kV 范围内）的前景正在继续推动这一电压区间器件的发展。

 

中压电机驱动、铁路电力传输和可再生资源直接并网等应用，对在这一电压区间内工作的4H-SiC 器件的兴趣越来越大。一个良性循环正在进行，这种兴趣推动了对 4H-SiC 中压晶体管的更多研究，重点是提高采用这些新型功率器件模块的额定电流。

 

 

图1.随着阻断电压的增加，SiC IGBT 提供了比SiC MOSFET 更合适的特性。

 

众所周知，在硅世界中，提高功率半导体器件额定电流的一种选择是从单极功率器件转换到双极功率器件。这种转换就是从 MOSFET到 IGBT 的转变，SiC 正在经历这一过程，而其成功所需的时间比硅更长。早在 2014 年，我们Wolfspeed 的团队就率先推出了稳定的双极 4H-SiC功率器件，并在 2018 年获得了 3.3 kV 和 10 kV MOSFET 的双极漂移的鉴定结果，从而清除了中压 4H-SiC 功率器件商业化的最后一道门槛。

 

在扫清了所有的技术和可靠性障碍后，剩下的主要问题是 ：哪种器件结构更适合中压应用，是 MOSFET 还是 IGBT ？事实证明，答案并不那么明确，就像硅功率器件一样。

 

向双极性转换

 

在 4H-SiC 中切换到双极性功率器件的过渡电压并不是基于一个特定的数字或截止标志。相反，它取决于性能，以及对成熟的单极、双极SiC 器件相关优缺点的综合考虑。MOSFET 的速度很快，所以对于低压应用来说，它们将一直是最佳选择。

 

但在超高电压下，IGBT 则是首选，因为其较低的传导损耗盖过了他们慢速的缺点。因此，在频谱的两端，理想的解决方案是明确的。但中间区域在 IGBT 和 MOSFET 之间做选择则复杂得多，那该怎么办呢？

 

如果我们进行“包络线计算”来确定 4H-SiC单极 MOSFET 和双极 IGBT 之间的分界线的额定电压，并且从硅中获取一点，我们得到的数字是6.5kV，这是硅功率器件开始从 IGBT 中获益的电压的 10 倍。

 

不过，6.5kV 可能还有点低。SiC 的单极电阻比硅低 200 倍，而不是低 100 倍 ；SiC结电位为 2.7V，而硅为 0.7V ；并且技术成熟度也大不相同——硅 IGBT 现已进入第七代，而 SiC IGBT 仍是一项在研发中的技术。因此是存在许多干扰因素的，这也说明需要更深入的分析来了解哪里是边界。

 

为了搞清这一点，我们选择了一种经验法，制造了一个 10 kV 4H-SiC IGBT，并将其性能与我们现有的 10 kV 4H-SiC MOSFET 进行了比较。

 

我们的 10 kV SiC IGBT 是同类产品中的第一个。设计该晶体管时，除了漏极 / 集电极以外，我们使用与 10 kV MOSFET 完全相同的掩模布局和阻挡层。如预期的一样，它产生了同样的阻塞性能 ；但与 10kV MOSFET 相比，10 kV IGBT 温度系数略为负并且有着高得多的直流电流容量，它能传递 220 A cm-2 的电流，而 MOSFET 仅为 70 A cm-2。

 

此外，正如预期的那样，IGBT 的开关损耗较高，几乎增加了 15 倍，这主要是由于大量存储电荷和高发射极效率。值得注意的是，IGBT 的电压随时间变化非常可控 (dV/dt 约为 12 kV/μs)。

 

以这种方式操作，消除了高压 SiC 器件由于速度极快而诱发不可控制的电磁干扰的问题。另一个关键的考虑因素是，IGBT 不像 MOSFET 那样内置反并联二极管，因此在评估这些器件时，必须考虑的不仅仅是开关本身。

 

 

图 2.Wolfspeed 的 10 kV IGBT 采用与 10 kV MOSFET 完全相同的掩模布局和阻断层生产，但漏极 / 集电极除外。

 

 

图 3. 开通 ( 红色 ) 和关断 ( 蓝色 ) 的速度由与 SiC IGBT 一起使用的反并联二极管的电容决定。

 

看看反并联二极管

 

4H-SiC MOSFET 体二极管的特点之一是它的发射极注入系数很弱，这在开关损耗方面是一种优势。这意味着 4H-SiC MOSFET 具有高质量的内置反并联二极管，可以用作开关，而不像硅超结 MOSFET 那样存在很高的开关损耗。

 

4H-SiC IGBT 没有内置反并联二极管。因此，必须增加一个额外的反并联二极管，这就是4H-SiC JBS 二极管的作用。我们制造的 JBS 二极管具有与 MOSFET 相同的漂移区，但有效面积稍大一点，并通过完全的单极机制传导电流。

 

4H-SiC MOSFET 的内置反并联二极管和4H-SiC JBS 二极管都能提供高速和低开关损耗。JBS 二极管的开关速度快得惊人，MOSFET 只能排在其后，由于发射极较弱，其存储电荷略高 ；并且 JBS 二极管的导通损耗为 11.3mJ，而MOSFET 体二极管为 13.5mJ。

 

但是，在额定电流较高的情况下，MOSFET 体二极管则更胜一筹。基于这些特性，MOSFET 体二极管应该被看作是大功率二极管，它将高额定电流与开关性能相结合，而该开关性能对 IGBT 的贡献很小。

 

哪个更好？

 

上述特性（孤立地看）能让人有一个大致的了解。然而，要想更全面地了解情况，需要一个模型应用来确定 10 kV 4H-SiC IGBT 可能比 10 kV MOSFET 更有优势的标准。

 

10 kV 4H-SiC 器件的一个领先应用是中压电机驱动器，特别是在 4160 V 下运行的系统。这些中压电机驱动器的用途包括能源生产、工业制造和运输中的执行重要任务。基于 10 kV 4H-SiC 器件的电机驱动器有望在减小尺寸和重量的同时提高这些系统的效率。鉴于这些机会，我们选择了一个三相逆变器来为我们的 4H-SiC MOSFET 和IGBT 器件损耗建模。

 

如果你有一个模型应用，它拥有 5 kV 母线电压在不同工作电流下的各种开关数据，你就可以使用这些数据点连同电流 - 电压曲线，为一个应用中的整体损耗建模。值得注意的是，MOSFET自带二极管。尽管 IGBT 会让有源开关输出更高的电流，但根据这个特定模型的数据，它需要额外的 0.64 mm2 二极管 ( 设计人员将需要一个IGBT 和两个二极管，而不是使用两个 MOSFET和零个二极管 )。

 

由于这一点，MOSFET 在 10 kV 额定电压下作为大电流器件将继续表现出吸引力。这一发现与我们的粗略估计和从硅材料得到的传统经验“即单极型器件在额定电压超过 650 V 时早已耗尽其价值”形成了鲜明对比。

 

转向更低的系统频率设计，基于 IGBT 的设计所需的有源开关面积减少了。然而，有得必有失，功率模块必须增加专用于反并联二极管的区域。由于 SiC MOSFET 具有出色的体二极管，这是这些器件的一个强大卖点，因此紧凑型高频系统肯定会使用中压 SiC MOSFET。但即使是频率较低的系统也仍然可以从纯 MOSFET 的方法中获益，因为它们不需要额外的二极管。

 

我们对不同应用的需求进行了简要研究，强调了最佳方法必须考虑特定系统的细节。IGBT和 MOSFET 都分别具有一些特性，使它们能成为中压应用中颇具吸引力的候选产品。最佳选择取决于多种因素。

 

SiC IGBT 的发展将继续下去，使其成为越来越有竞争力的选项，特别是在更高的开关速度下，并且随着诸如反向传导能力等附加技术的发展，采用 4H-SiC 中压 MOSFET 技术的技术平衡可能会倾向双极型器件。

 

在过去的 30 年里，硅功率器件行业一直在不断创新其单极和双极技术，而且没有迹象表明这种趋势会停止。我们应该期待 4H-SiC 中压器件也会如此。

 

 

图 4. SiC IGBT 在室温下表现出非常可控的 dV/dt，大约为 12 kV/μs（淡红色的痕迹）。开关损耗主要由大容量存储电荷和高发射极效率以及低缓冲寿命导致的非常小的电流拖尾所决定。

 

 

图 5. MOSFET 体二极管 ( 深红色 ) 比 JBS 二极管有更好的电流。电流额定值 ：对于 10 kV SiC MOSFET 体二极管，在TJ = 175°C 时为30.6A；对于10 kV SiC JBS 二极管，在TJ = 175°C 时为17 A。