详解电力电子领域碳化硅(SiC)的热行为

 

碳化硅(SiC)在功率电子学中相比传统的硅工艺技术具有众多优势。它结合了更高的电子迁移率、更宽的带隙和更好的热导率。得益于这些特性，SiC器件相比于同等评级的硅器件表现出更低的导通电阻(Rds(on))。除了更高的载流子迁移率外，这种较低的电阻还得到了SiC比硅更高的击穿场强的辅助。这一特性使得器件结构中的漂移层更薄。

 

对于许多工业设计而言，SiC最重要的优势之一是它能够在高温下良好运行而不会产生过度的载流子泄漏，这是其他技术难以轻易实现的。这一优势主要归功于SiC较低的本征载流子浓度。然而，为了最大限度地发挥SiC在需要高温兼容性的设计中的潜力，了解器件在影响性能和效率的条件下的响应至关重要。

 

SemiQ的工程师们进行了广泛的测试，展示了MOSFET在整个温度范围内的行为。这些测试提供了重要的数据点，指示如何最佳地利用SiC的热和电特性。

 

这些测试一直延续到QSIC 1.2 kV SiC MOSFET模块的制造过程中，所有部件都经过测试至1.4 kV以确保可靠性。为了保证每个模块的稳定栅极阈值电压和栅极氧化物质量，SemiQ在晶圆级别进行栅极老化测试。除了老化测试外，还包括各种应力测试，如栅极应力、高温反偏(HTRB)漏极应力，以及结合高湿度、高电压和高温度应力测试(H3TRB)，以确保部件符合汽车和工业质量标准。

 

在公司对SiC器件进行特性化的工作中，SemiQ展示了在整个工作温度范围内，导通电阻的负温度系数和正温度系数如何影响需要最大可靠性的设计决策。公司在校准的烤箱中使用Keysight B1505A功率器件分析仪对其1.2 kV SiC MOSFET进行了实验。为了确保环境温度的影响清晰显示，实验仅在烤箱设定到目标温度并经过足够时间使器件加热或冷却到正确水平后进行。在实验过程中，通过使用短脉冲宽度和低占空比来减轻自热效应。

 

实验表明，在室温附近，SiC MOSFET的RDS(on)达到最小值。低于此温度，电阻可能根据所施加的栅源电压显著增加。较低的电压增加了温度敏感性，增加了温度系数转向正的温度。

 

低于室温的负温度系数对并联运行的器件有影响。如果系统在低温环境下启动，可能会导致其中一个器件通过更多电流并因热失控而过载。然而，将栅源电压增加到约18 V-20 V可以降低系数并增加不平衡发展的风险。

 

尽管阈值电压随着温度升高而降低，但由于带隙电压的降低，维持高栅源电压对整体器件性能至关重要。即使在较高温度下也是如此。实验显示，漏极电流随温度升高而减少，多个因素导致这一响应，包括载流子迁移率随温度变化以及带隙减少，这影响了本征载流子浓度。这也导致阈值电压随温度依赖性降低。

图1：归一化导通电阻与温度的关系

 

然而，当栅源电压增加时，SiC MOSFET将继续显著改善RDS(on)。尽管10 V高于SiC MOSFET的典型阈值电压，但在此水平下的导通损耗很可能导致器件热失控。在20 V或更高电压下运行可提供更好的整体性能。当器件关闭时，由于阈值电压的温度依赖性，SemiQ的建议是维持-5 V的栅极偏置。这种低电压防止任何意外的寄生导通效应，并确保在高达175°C的温度下正确行为，此时阈值电压可能从典型的3 V降至仅1.8 V。

 

在高温下，SiC MOSFET的正温度系数会增加导通损耗。然而，考虑漏极电流的影响也很重要，它可能显著影响损耗。通常，导通电阻随漏极电流增加。从20 A增加到120 A时，电阻增加约50%。结合电阻随温度的增加，这可能导致SemiQ的1.2 kV SiC MOSFET在通过120 A电流时，在175°C下的电阻从低于40 mΩ增加到约140 mΩ。电路设计者可能选择并联运行器件，以通过每个器件的电流较少，从而尽可能保持导通电阻低。

 

图2展示了在不同温度(-55°C、25°C、125°C和175°C)下导通电阻与漏极电流的关系。在-55°C和25°C下，器件表现出较低的导通电阻和较小的变异性，相比于在125°C和175°C下观察到的。通常，SiC MOSFET在较低温度下显示负温度系数(NTC)，直到达到特定阈值，然后过渡到正温度系数(PTC)。

图2：不同温度下的导通电阻与漏极电流

 

体二极管对开关行为的影响是电路设计者可以充分利用SiC特性并使用更高开关频率的另一个领域。体二极管的一个效应是反向恢复电流，这是由MOSFET体二极管中的少数载流子在器件重新导通时被清除引起的。这种反向恢复电流转化为能量损耗，直接影响功率转换器的效率。SiC器件中体二极管的正向电压也比硅器件高。因此，避免在开关周期的死区时间外使用体二极管对于最小化损耗很重要。

 

然而，与传统硅器件相比，基于SiC工艺构建的器件在关闭时表现出短的恢复时间。这种减少提供了增加开关频率的机会。这反过来又允许设计者在支持电路中使用更小的外部无源组件，这有助于减少功率转换器的体积和成本。

 

双脉冲测试(DPT)提供了对详细导通和关断性能的宝贵见解。DPT在不同电流水平下打开和关闭晶体管。通过调整开关时间，可以在整个工作条件下观察波形。使用两个脉冲很重要，因为它允许评估反向恢复电流。其他效应包括由电流随时间的高变化(di/dt)引起的振铃，这可能与器件中的寄生电感和电容相互作用，形成谐振LC电路。

图3

 

SemiQ对TO-263-7L封装中的器件进行了测试，以研究温度对此行为的影响。在这种测试配置中，只有被测器件受到加热，并使用表面贴装焊盘将其连接到PCB。使用校准的外部夹式加热器来维持受控温度。

 

测试表明，反向恢复时间随温度升高而增加。这导致在高温下导通损耗呈现上升趋势。然而，关断损耗保持相对恒定。测试还显示，导通波形比关断波形有更高的振铃。尽管关断涉及电压的快速变化，但寄生元件在此阶段可能不会形成强大的谐振LC电路，导致相对较低的振铃。结果是，专注于减少体二极管和振铃效应的电路设计，特别是如果器件预计在温度范围的高端运行，在导通阶段最为重要。

 

尽管器件制造商通常会设定安全裕度以确保MOSFET能承受其额定击穿电压，但测试显示，该电压随温度升高而增加。以1.2 kV SiC MOSFET为例，该器件在-50°C时显示出至少1520 V的击穿电压，在150°C时上升到1570 V。尽管漏电流也随温度升高而增加，主要是由于载流子的热产生，但击穿电压的正温度系数在实践中掩盖了这一效应。

图4：175°C 和 1300V 反向偏压下的 HTRB 测试结果

 

对1.2 kV SiC MOSFET行为的仔细研究提供了有关此类器件静态和动态特性的宝贵信息。对于旨在利用SiC处理更高功率转换器开关频率的设计者来说，考虑温度依赖性损耗至关重要。导通损耗在高温下呈现上升趋势，但关断损耗保持相对恒定。通过关注这些差异，设计者可以补偿这些效应，并获得SiC技术所提供的全部效率改进，正如公司的QSIC 1.2 kV MOSFET模块所展示的那样。

 

凭借超过5400万小时的HTRB和H3TRB应力测试支持，这些模块实现了高达98%的功率转换效率，有助于提高热稳定性和增强可靠性。这些优势使SiC模块成为包括直流电源设备、逆变器、电机驱动、电动汽车充电站等在内的广泛应用的理想选择。