SiC MOSFET的制造工艺与工作原理

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、T

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

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。