适用于运输领域的SiC：设计入门

简介

在这篇文章中，作者分析了运输辅助动力装置（APU）的需求，并阐述了SiC MOSFET、二极管及栅极驱动器的理想静态和动态特性。

为什么使用宽带隙（WBG）材料？

对于任何电力电子工程师来说，必须大致了解适用于功率半导体开关器件的半导体物理学原理，以便掌握非理想器件的电气现象及其对目标应用的影响。理想开关在关断时的电阻无穷大，导通时的电阻为零，并且可在这两种状态之间瞬间切换。从定量角度来看，由于基于MOSFET的功率器件是单极性器件，因此与这一定义最为接近。功率MOSFET结构中的导通状态电流通过单极传输，这意味着N沟道器件中只有电子。由于没有少数载流子注入，因此在栅极偏压降低到一定的阈值电压以下后，电流会立即断开。

另一方面，双极性器件可利用双极性（电子-空穴）调制，将空穴注入基极，从而显著提高导通能力。这些“额外”注入的载流子必须在器件从导通状态切换到关断状态时消除。这可通过以下两种方法实现：一是通过栅极驱动电流消除电荷，二是通过电子-空穴重组过程。双极性器件的这种固有特点会造成显著的功率损失，从而降低开关性能。因此，单极性器件更符合我们前文所述的三个理想条件之一，即理想的开关可以在导通/关断状态之间瞬间切换。

图1. 价带和导带之间较宽的能量带隙可使SiC在关断状态下成为较好的隔离器，并且能减少MOSFET的厚度

如何改善另外两个理想条件？

半导体器件内的电流必须流经一个称为漂移区的区域（见图2）。此区域的作用是完全阻断关断状态下的额定电压。阻断电压越高，需要的沟道长度越长，从而导致电阻越大。这表明我们的理想功率开关性能会随着标称电压的升高而变差。

考虑到硅材料的特性，高于200V的标称电压会因沟道过长而颇具挑战性（使器件在电气性能上和经济效益上都失去优势）。在这种情况下，IGBT等双极性器件的优势较大（实现了开关权衡），宽带隙半导体也是一种可以尽量减少不利影响的替代性技术解决方案。图1重点介绍了宽价带的优势（粒子不能占据这个带区）。“宽带隙”材料的主要优点在于，在阻断模式下可成为较好的隔离器（更接近左侧的隔离器），在导通模式下可成为极其出色的导体（Si和SiC的载流子流动性都很高）。

图2. 漂移区更窄是SiC的WBG特性的主要影响，这是导致总Rdson增大的最大因素。

目标应用中存在哪些宽带隙优势？

我们已经解释过，WBG半导体支持采用固有快速MOSFET结构，适合非常高的阻断电压。对于谐振模式下的直流-直流转换器，这一点尤为实用。输出特性图（图3a）给出了有关这类器件导通性能的更多信息。Si-IGBT用作比较的参照物；我们可以看到，在某些交叉点上，当接近两种器件的标称电流时，SiC-MOSFET的固有性能更好（压降更低）。这最终产生了一条平坦的效率曲线，并且有利于任何主要在略高于标称功率的轻载条件下工作的转换器。

图3. 直接影响功率开关选择的三个最重要电气特性

如图3c中所示，SiC-MOSFET结构的第三象限（有时称为整流象限）工作模式有一个非常有趣的特点。在这种模式下，SiC-MOSFET可以用作二极管。或者，如果我们导通沟道，则会开启器件并产生极小的导通损耗。这样的开关可用作双向开关，在两个方向上的性能几乎相同。

栅极驱动挑战

更高的栅极电压需求：通常，SiC器件具有较宽的带隙以及较高的P型基极层浓度水平（见图2），因此其栅极电压阈值较高，这样主要是为了避免击穿。因此，要在SiC功率MOSFET中达到合理的栅极驱动电压以完全打开沟道，会成为一种根本性的挑战。在图3b中，捕捉到了SiC-MOS和Si-IGBT的典型传输特性。读者会发现，SiC-MOS的沟道打开速度略微“缓慢”，在20V左右时，Rdson达到最小值。鉴于此，栅极驱动器应持续提供20V的栅极电压，最好是可以进行配置。 

由于存在栅极电荷残留，SiC-MOS结构中必须具有负偏压，同样，最好可以进行配置以实现优化。近乎理想的功率开关和它们周围的封装寄生元件（见图4）的组合会引起过压和振荡。关键在于(a)尽量减少所有外部直流链路+连接+栅极路径和内部杂散高级功率模块的封装元件，包括开尔文型栅极连接；(b)利用优化的SiC-MOS技术；以及(c)在适用的情况下，采用先进的栅极驱动技术，如图4所示的有源栅极电压控制（Augmented Switching™）。

图4. 实现可靠、高效SiC-MOS驱动的栅极驱动器和封装的主要假设

总结

凭借快速开关和高压操作的出色组合，SiC MOSFET成为辅助电源的理想选择，尤其是其出色的第三象限工作模式，进一步凸显了其优势。随着电动列车等新兴技术的问世，SiC MOSFET成为了更具吸引力的选择，无论对软开关还是硬开关均适用。借助可最大限度地减少寄生效应的高级封装技术和数字栅极驱动技术，这些强大的器件能够充分发挥全部优势。