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SiC MOSFET电阻成分分析

2026-01-26 09:37:15

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 MOSFETSiC 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)。

图片来源:网络

这张图,非常清晰,

Si IGBTSi 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,VGS13V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。

图片来源:网络

这张图,是650V SiC MOSFETSi MOSFET以及Si IGBT归一化电阻的温度特性,

0℃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 MOSFETSiC 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 MOSFETSi 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。

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。

图片来源:网络

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 MOSFETVthSi 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。

图片来源:网络

这张图,是SiC MOSFETSi IGBTVGS(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,

3SiC 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。

4SiC 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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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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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
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