开关Rds(on)如何随温度变化

直接比较为半导体技术提供的总体性能数据有时会产生误导。在温度等动态条件下，Rds(on) 等参数的可变性表明情况更为复杂。

我们生活在一个一切都在四个维度内相对连续运动的世界。支持弦理论的物理学家可能会对此进行扩展，认为我们可以同时存在于至少十个维度中，如果包括时间，则可以在十一个维度中存在。然而，从工程师的角度来看，特别是在评估半导体时，感兴趣的维度是时间；设备在动态电气条件和外部影响（例如工作温度变化）下的功能如何。

数据表提供的主要性能数据通常是针对“典型”温度给出的，通常在脚注中定义，并且始终为 25°C。虽然这不太现实，特别是对于功率半导体，但这种做法是整个行业的标准。但是，它至少可以在竞争设备之间进行初步比较。其他有用的品质因数 (FoM) 结合了在实际应用中很重要的特性。一个例子是 RdsA，它是晶体管的导通（或漏源）电阻 (Rds) 和芯片面积 (A) 的乘积。非常低的 Rds 非常适合传导损耗，但如果以大芯片面积为代价，则器件电容会变得更高，开关损耗也会增加。一个相关的 FoM 是 Rds*Eoss，它是 Rds 和开关能量损失的乘积。

Rds(on) 和 Eoss 的值可以在器件数据表中找到，或者至少可以从器件数据表中找到，但实际上应该考虑温度的额外维度。例如，650V UnitedSiC UF3C065040B3 SiC 级联器件，它具有 Rds (on) 最大值为 52 毫欧（典型值为 42），可以与相同 D 2 PAK-3L 封装中的 650V 硅超结 MOSFET 进行比较，该封装的 Rds(on) 最大值为 45 毫欧（典型值为 40） . 在第一印象中，SJ 器件似乎更好，尤其是它在 25°C 时的最大漏极电流为 46A（而 SiC FET 部件仅为 41A）。但在 150°C 时，SJ 器件的 Rds(on) 值通常为 96 毫欧，而 SiC FET 部分约为 67 毫欧，而在 175°C 时仅为 78 毫欧（图 1）。

显然，在功率组件真正运行的较高温度下，SiC FET 器件的性能优于 SJ MOSFET。这不仅仅是器件评级方式的一个怪癖，而是 Si 和 SiC FET 材料之间的内在差异；在所涉及的掺杂水平（在 SiC FET 中通常高 10-100 倍）下，电子迁移率的下降速度会随着温度的升高而恶化。

图 1：碳化硅共源共栅的 Rds(on) 随温度的增加低于 SJ 共源共栅

这里的关键是，看似相似的部件在更高的温度下可能表现得截然不同，SiC FET 器件的较低传导损耗意味着它在 150°C 时比 SJ 部件消耗的功率少 30%。实际上，应用程序将定义电流水平，而不是开关中的功耗。这意味着对于给定的电流，由于 SiC 的热阻低于 Si，因此温度更低，因此 SiC FET 的性能有望优于 Si。SiC FET 较低的开关损耗和体二极管损耗也降低了整体封装耗散，从而提供较低的相对结温上升和仍然较低的相对 Rds(on) 值。考虑到 SiC FET 器件的较低栅极电荷和由此产生的节能效果，例如，具有较小的缓冲器，

选择半导体开关时，有必要研究数据表规格的详细信息——尤其是 Rds(on) 等关键参数如何随温度变化。这些额外的尺寸是它们在现实生活中运作的地方，考虑到碳化硅选项，可能会有一些惊喜等待工程师。

审核编辑：汤梓红