CoolSiC? MOSFET G2導(dǎo)通特性解析

上一篇我們介紹了英飛凌CoolSiC? MOSFET?G2的產(chǎn)品特性（參考文章：CoolSiC? MOSFET G2性能綜述）。那么在實(shí)際應(yīng)用中，G2如何進(jìn)行正確的選型呢？接下來(lái)兩篇文章會(huì)和大家仔細(xì)探討這個(gè)問(wèn)題。今天的文章將會(huì)主要聚集在G2的導(dǎo)通特性上。

在MOSFET設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，工程師往往會(huì)以MOSFET常溫下漏源極導(dǎo)通電阻RDS(on)作為第一評(píng)價(jià)要素。RDS(on)往往會(huì)體現(xiàn)在產(chǎn)品型號(hào)中，比如IMZA120R040M1H中的040，代表的就是結(jié)溫25℃條件下，Vgs在18V時(shí)器件的RDS(on)約為40mΩ。

從上面的參數(shù)表也可以看出，RDS(on)是一個(gè)正溫度系數(shù)的參數(shù)，對(duì)于IMZA120R040M1H來(lái)說(shuō)，Tvj=175℃下的RDS(on)，幾乎等于常溫下的兩倍。

再來(lái)看G2 34mΩIMZC120R034M2H的參數(shù)表，Tvj=175℃下的RDS(on)，約等于常溫下的2.3倍。

可以看出G2?RDS(on)的溫度系數(shù)是要大于Gen1的。盡管在常溫下，IMZC120R034M2H?RDS(on)=34mΩ，低于IMZA120R040M1H的39mΩ，但是在175℃時(shí)，IMZC120R034M2H?RDS(on)達(dá)到了80mΩ，略高于IMZA120R040M1H的77mΩ。

SiC MOSFET常工作在高溫下，高溫下更高的RDS(on)會(huì)導(dǎo)致更高的導(dǎo)通損耗。那么為什么CoolSiC? G2要設(shè)計(jì)這么明顯的RDS(on)溫度系數(shù)？這不是與功率器件低損耗、高功率的發(fā)展方向背道而馳？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們要先弄明白SiC MOSFET?RDS(on)溫度特性背后的機(jī)理。

SiC MOSFEST總導(dǎo)通電阻RDS(on)主要有三部分組成：溝道電阻Rchannel，JFET電阻RJFET和漂移區(qū)電阻Rdrift。

在這三部分電阻中，溝道電阻Rchannel具有負(fù)溫度系數(shù)，即隨溫度上升，電阻反而下降。而RJFET和Rdrift則具有正溫度系數(shù)，即電阻隨溫度上升而上升。那么總導(dǎo)通電阻RDS(on)的溫度系數(shù)就由這三部分的比例決定。

如果溝道電阻Rchannel占比高，那么它的負(fù)溫度系數(shù)會(huì)很大程度上抵消掉RJFET和Rdrift的正溫度系數(shù)，使得總RDS(on)的溫度曲線(xiàn)比較平坦，對(duì)外表現(xiàn)為高溫下RDS(on)相比常溫下數(shù)值變化很小。反之，Rchannel占比低的話(huà)，總RDS(on)的溫度曲線(xiàn)就會(huì)很陡峭，高溫下RDS(on)增加明顯。

CoolSiC? MOSFET是溝槽柵器件，從Gen1開(kāi)始，溝道電阻Rchannel占比就很低，總RDS(on)的溫度系數(shù)就由正溫度系數(shù)的JFET電阻+漂移區(qū)電阻決定。而平面柵器件因?yàn)闇系离娮枵急雀?，其?fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償了JFET電阻+漂移區(qū)電阻的正溫度系數(shù)，所以總RDS(on)的溫度系數(shù)比溝槽柵的CoolSiC?更低。

而CoolSiC? G2溫度特性比G2更明顯。這都是由于CoolSiC?產(chǎn)品一直在不停的優(yōu)化溝道質(zhì)量，使得Rchannel在總電阻鏈路中的占比越來(lái)越低所致。

為什么英飛凌在執(zhí)著的降低溝道電阻？

做這件事又有什么好處？

SiC和Si材料有很大不同，在形成溝道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多氧化層界面陷阱和界面態(tài)密度。這些界面態(tài)密度會(huì)捕獲電子，阻礙電子流動(dòng)，增加溝道電阻。高溫時(shí)，被捕獲的電子獲得能量又被釋放，所以溝道電阻在高溫下反而降低，呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)。

SiC MOSFET中的溝道柵氧化層界面的質(zhì)量是SiC發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。不過(guò)有挑戰(zhàn)就有機(jī)遇，機(jī)遇就是SiC是各向異性晶體，在不同晶面上形成的溝道質(zhì)量是不一樣的，垂直晶面的界面態(tài)密度和氧化層陷阱要低于水平晶面。英飛凌選擇了一個(gè)特殊的[1120]晶面，它與垂直晶面有一個(gè)4℃的夾角，這個(gè)晶面能保持最低的界面態(tài)密度和氧化層陷阱，從而保證最高的溝道電子遷移率，以及最低的溝道電阻。同時(shí)，溝道電阻的負(fù)溫度系數(shù)也不明顯，可以理解為常溫下被捕獲的電子少，高溫下被釋放的電子也變少了。

通過(guò)采用降低柵氧化層界面的界面態(tài)密度和氧化層陷阱，可以提高溝道電子遷移率，允許使用更厚的柵氧化層，柵極氧化層的可靠性隨氧化層厚度的增加而呈指數(shù)級(jí)提高。從下圖中可以看到，英飛凌溝槽柵CoolSiC?所使用的柵氧化層厚度，遠(yuǎn)高于平面柵，從而保證器件的長(zhǎng)期可靠性與穩(wěn)定性。

對(duì)于SiC MOSFET的設(shè)計(jì)發(fā)展而言，總體趨勢(shì)都是在想方設(shè)法改進(jìn)溝道質(zhì)量，降低溝道電阻, 未來(lái)的RDS(on)溫度系數(shù)勢(shì)必會(huì)更加明顯。

總結(jié)

綜上所述，對(duì)CoolSiC? G2進(jìn)行選型時(shí)，尤其是對(duì)原有項(xiàng)目做替代時(shí)，不能簡(jiǎn)單的按照RDS(on)的數(shù)值進(jìn)行一比一替換，開(kāi)關(guān)損耗也是重要的考量因素，要實(shí)際考慮應(yīng)用場(chǎng)景、電路拓?fù)?/a>、開(kāi)關(guān)頻率、散熱環(huán)境等綜合條件。下一篇文章我們將會(huì)分析在軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)兩種場(chǎng)景下，分別應(yīng)該如何選型。