今天这部分的主题是SiC MOSFET的导通特性。
先说SiC MOSFET的栅极驱动
前已论述,相比Si MOSFET,SiC MOSFET的外延层可以采用更小厚度、更高浓度,实现相同耐压,
因此,后者的漂移区电阻更低。
但,以现有工艺水平,后者的沟道迁移率远低于理论值,使得沟道电阻高于Si MOSFET,
由此推出,栅极驱动电压VGS越高,SiC MOSFET的导通电阻越低(20 V以上逐渐饱和)。

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这张图,非常清晰,
在Si IGBT和Si MOSFET通常使用的驱动条件VGS=10~15V条件下,SiC MOSFET的电阻尚有较大下降空间,
因此各家SiC MOSFET产品,推荐驱动电压一般是18V,这一条件下,电流接近饱和,足以充分发挥SiC MOSFET的低导通电阻优势。
另外,VGS<13V时,随着温度升高,导通电阻甚至可能减小,
此时如果并联使用器件,可能导致电流集中流过某一器件,造成热失控。
这里提个问题,SiC MOSFET中,器件导通电阻的温度系数,在不同结构设计、不同工作条件下,到底如何变化?
有两个变量,结构设计or工作条件,
前者,决定沟道电阻和漂移区电阻的占比,
这两部分电阻是SiC MOSFET导通电阻的主要成分,且二者的温度系数有明显区别。
漂移区电阻,由体迁移率决定,呈现正温度系数,
沟道电阻,由表面迁移率决定,但由于SiC/SiO2界面的复杂性,其温度系数较复杂,在不同温度范围内,变化规律不同。
不细究机理,只需要知道,目前关心的应用范围内,沟道电阻呈负温度系数,就足矣。
器件整体电阻的温度系数,由二者占比多少决定。
比如,相比平面MOSFET,沟槽MOSFET的沟道电阻更低,占比更小,因此器件的正温度系数,一般会大些。
再比如,超结结构,大幅降低漂移区电阻,使得器件的正温度系数显著降低。
就像之前这篇,36μm的外延层,因为采用超结结构,温度系数只有2.6,
另一影响因素,是工作条件,
观察各家的产品规格书,会发现,VGS明显低于推荐电压18V时(比如10V左右),器件电阻呈现负温度系数,
换言之,在这时,随着温度的提升,器件电阻降低。
从沟道电阻和漂移区电阻的占比角度,便能理解这现象。
VGS太小,沟道并未完全开启,沟道电阻占比更大,
沟道电阻的负温度系数占据主导作用,使得器件整体呈现负温度系数。

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这张图,是650V SiC MOSFET、Si MOSFET以及Si IGBT归一化电阻的温度特性,
以0℃到150℃为例,可以看到,Si MOSFET的电阻变化情况最明显,正温度系数最大,
为什么相比Si MOSFET,SiC MOSFET的正温度系数更小?
因为SiC MOSFET的总导通电阻中,沟道电阻占比相对较大,而沟道电阻的负温度系数,使得器件整体的正温度系数有所降低。
为什么相比Si MOSFET,Si IGBT的正温度系数更小?
因为IGBT的电导调制效应,大幅降低漂移区电阻,高温下此效应仍然有效,降低了器件整体的正温度系数。
即便是同一种器件,根据耐压级别的不同,温度系数也会有所差异。
以SiC MOSFET为例,
650V产品,漂移区电阻占比最小,正温度系数最小,
1200V产品,漂移区电阻占比上升,正温度系数变大(一般1.6~2.0),
1700V以上,正温度系数更大。
写到这里,不由得感慨,
对定义的细化,是认知提升的开始,
当年初入此行,看到器件导通电阻,不由自主地将其当成一个整体,没有看到其中的各部分,认知颗粒度太粗糙,
粗糙的结果,是不理解现象背后的机理,
为什么不同VGS下,器件温度系数不同?
为什么同一种器件,不同耐压级别的产品,器件温度系数不同?
只有将认知颗粒度细化到沟道电阻、漂移区电阻等组成部分,才能理解此间逻辑。
学得越深,你看到的细节,越纷繁、越庞大。

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这张图,是转移特性曲线,
两张图是同一组数据,左图是对数坐标,右图是线性坐标,
若以mA级别的电流,定义Vth大小,则SiC MOSFET的Vth与Si MOSFET相当,室温下大概3V,
但室温下,欲通过几A电流,所需的VGS大约在8V以上,因此SiC MOSFET的误导通耐量与Si IGBT相当。
从右图可看出,即便150℃下,只有VGS>6V时,SiC MOSFET才会通过5A以上的电流。

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这张图,是SiC MOSFET和Si IGBT的VGS(VGE)- ID(IC)特性对比,左图为对数坐标,右图为线性坐标,
ID(IC)=10mA时,SiC MOSFET的驱动电压更低,
但对于5A以上的电流,SiC MOSFET所需的驱动电压更高。
小结:
1、栅极驱动电压VGS越高,SiC MOSFET的导通电阻越低(20 V以上逐渐饱和),
2、各家SiC MOSFET产品,推荐驱动电压一般是18V,这一条件下,电流接近饱和,足以充分发挥SiC MOSFET的低导通电阻优势,
3、SiC MOSFET中,影响器件导通电阻温度系数的主要因素有二,结构设计or工作条件,
两者均通过影响沟道电阻和漂移区电阻的占比,影响器件电阻的温度系数。
在目前关心的应用范围内,沟道电阻呈现负温度系数,漂移区电阻呈现正温度系数。
4、SiC MOSFET,随着器件耐压的增大,外延层逐渐变厚,漂移区电阻占比逐渐增大,导通电阻的温度系数随之增大。
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