重新发现采用SIC FET的完美开关

有时有趣的是，事情如何改善或恶化取决于你的观点。从利用电力的那一天起，就存在完美的开关——至少 18千沃尔特等世纪实验者是这么认为的，他们用黄铜、木材和瓷器制造了电隔离器。关闭时几乎没有阻力，打开时没有泄漏。它可以承受您喜欢的高压，具体取决于您制造的大小。这是一个问题解决了。

半导体离理想又退了一步

第一个电子开关，真空管，是大的，有损的和脆弱的，早期的晶体管是进一步的倒退，具有高电阻和低击穿电压，当然，你可以比任何机械的东西更快地翻转它们。它们很小，但因此只能处理微小的水流。自肖克利和他的团队发现以来的75年里，工程师们一直在努力回到Volta的理想解决方案，但同时压力越来越大，以MHz速率切换得更快，保持小尺寸并增加额定电流。

推动晶体管发展到更高功率水平的应用当然是开关模式电源，它允许在没有电机发电机组的情况下高效进行 DC-DC 电源转换。SMPS 的想法于 1959 年获得专利，双极结型晶体管于 1970 年首次用于商业应用，即泰克 7000 系列示波器。BJT在应用中取得了成功，但在更高的功率下很难有效地驱动，并且在几十kHz以外的任何频率下开关损耗都是不可接受的。快速且易于驱动的MOSFET早在1960年就获得了专利，但早期版本具有显着的导通电阻，由于I中的“平方”项，在高电流下会产生高功率损耗2R.然而，IGBT的发明是一个突破，它完美地结合了简单的MOSFET栅极驱动和BJT的导通状态特性，直到今天，它仍然是超高功率转换器的实用解决方案。不过，“实用”并不“理想”——为了避免在最高功率应用中出现不可接受的动态损耗，IGBT的开关频率必须保持在约10KHz以下，因此必须使用大型、重型和昂贵的磁性元件。同时，开关频率高达500kHz左右的MOSFET已改进为最新的最先进的“超级结”类型，这些类型现在主导着DC-DC和AC-DC转换的中低功率范围。

现代功率半导体的大致应用领域

为了缩小IGBT和硅MOSFET应用领域之间的差距，人们已经探索了碳化硅和氮化镓中的宽带隙半导体。这些承诺降低开关和传导损耗，源于更好的电子迁移率值和更高的材料介电耐受额定值，使具有更低电容和传导通道长度的更小器件成为可能。然而，使用新材料制造开关带来了许多困难，从使用带有GaN HEMT电池的实用基板的不匹配的热膨胀系数到SiC MOSFET中的“晶格缺陷”和“基底面位错”，所有这些都会降低性能并降低可靠性。然而，制造方面的改进继续提高性能，这些器件，特别是SiC MOSFET，现在是主流，并且正在侵入传统的IGBT高功率应用。

宽带隙器件在某些方面是一种退步

然而，在某些方面，已经退缩了;SiC MOSFET和GaN HEMT电池不像硅MOSFET那样容易驱动，所需的栅极电压水平对于最佳性能和可靠性至关重要，而对于SiC，阈值表现出很大的变化和迟滞。SiC MOSFET栅极氧化物的可靠性也受到质疑，Gan HEMT电池没有雪崩额定值，迫使重电压降额。另一个逆行步骤是器件在通过“换向”反向传导时的性能，“换向”是由感性负载引起的电流自动反转 – SiC MOSFET 的体二极管在正向偏置下下降约 4V，随后反向偏置时具有明显的反向恢复损耗。当GaN器件换向时，它们通过通道传导，没有反向恢复问题，但压降仍然相当高，并且因栅极驱动而异。

回首往事

朝着正确方向迈出的一步是“回顾”一种古老的技术 - “级联”硅MOSFET和SiC JFET，被制造商和技术冠军UnitedSiC称为“SiC FET”。与SiC MOSFET或GaN HEMT电池相比，它具有更好的总损耗品质因数，栅极驱动是非关键的，具有稳定的阈值，体二极管速度快，恢复损耗低，仅约1.5V压降。此外，这些器件具有强大的雪崩和短路额定值，与栅极驱动无关。器件提供 650V、750V、1200V 和 1700V 等级，导通电阻低至 7 毫欧，采用各种封装，大部分部件符合 AEC-Q101 标准，以减轻任何可能的可靠性问题。

更重要的是，这些器件的快速和高速开关所带来的挑战可以通过简单的RC缓冲器来解决，以管理关断过冲和振铃，并从这些SiC FET获得最佳性能。

审核编辑：郭婷