寬禁帶功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的研發(fā)，絕不是僅僅換了一種材料這么簡單的事情！也絕非彎道超車就容易成為領(lǐng)跑者。英飛凌在九十年代就開始研究過碳化硅功率器件，研發(fā)過平面柵SiC MOSFET。由于當(dāng)時(shí)碳化硅材料缺陷水平限制，后轉(zhuǎn)向于研制常開型SiC JFET器件，也推出過常閉型低壓硅MOSFET+常開型SiC JFET構(gòu)成的級聯(lián)器件，因?yàn)檫_(dá)不到英飛凌對于功率開關(guān)器件高質(zhì)量的要求，沒有正式推向市場?，F(xiàn)在，英飛凌推出非對稱溝槽柵高Vgsth的SiC MOSFET開關(guān)器件，又成為了技術(shù)領(lǐng)跑者。
圖1. 碳化硅與硅材料的主要性能參數(shù)對比
英飛凌深耕溝槽柵MOS功率器件好幾十年，從最早的溝槽柵IGBT，到屏蔽溝槽柵結(jié)構(gòu)的低壓OptiMOS，以及體二極管經(jīng)過特殊處理加固的CFD類型的CoolMOS（也有類似的溝槽結(jié)構(gòu)），再到現(xiàn)在的溝槽柵Cool SiC MOEFET，可以說積累了極為豐富的器件和客戶應(yīng)用反饋的長期經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證的“閉環(huán)”經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)絕不是可以一蹴而就、拿過來即可速成的。經(jīng)過這幾年的實(shí)踐摸索和對比驗(yàn)證，英飛凌的CoolSiC MOSFET又像當(dāng)年的NPT-IGBT、CoolMOS、FS-Trench IGBT那樣，再一次領(lǐng)跑功率開關(guān)器件。
與硅材料比較，從圖1數(shù)據(jù)，可以看出來，SiC材料的禁帶寬度和臨界擊穿電場強(qiáng)度雖然較高，但是其空穴遷移率很低（也是SiC MOSFET的體二極管壓降比較大的原因之一），電子遷移率也不高，這絕不是優(yōu)點(diǎn)。在平面柵的SiO2-SiC界面的界面態(tài)等雜志缺陷的存在，使得感應(yīng)的導(dǎo)電溝道中的電子等效遷移率可能更低。但是，因?yàn)楣鐼OS器件就是從平面柵開始的，絕大多數(shù)廠家先以平面柵MOSFET結(jié)構(gòu)研發(fā)SiC MOSFET。這一條路，看似起步容易，卻是越走越難！因?yàn)椴徽撌裁床牧系墓β蔒OS器件，必須要符合一些基本條件：常閉器件；其閾值電壓Vgsth必須要大于4V（常溫狀態(tài)），而且Vgsth隨著高溫下降幅度不能夠太大（最好超過3V，不能夠低于2V）。一般IGBT和所有的MOSFET的Vgsth都要隨著溫度增加到結(jié)溫150C而下降1V左右。而IGBT開關(guān)較慢，還可以加負(fù)電壓，從-5V直至-15V，以應(yīng)對Vgs上的噪聲電壓；大功率硅基MOSFET也可以加一定的負(fù)壓抵抗噪聲；SiC MOSFET對于負(fù)的Vgs電壓比較敏感：器件本身推薦零電壓關(guān)斷，但是客戶還是希望加一定的負(fù)壓抵抗噪聲，比如-5V（至少-3V）。當(dāng)開關(guān)頻率超過200KHz時(shí)，Vgs，off=-3V（max），再大值的負(fù)壓，會影響器件長期壽命。這是溝槽柵器件所帶來的較高頻率下開關(guān)工作的一個(gè)額外限制。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不難應(yīng)對處理：fsw=200KHz（或者更高頻率），Vgs，off=-2V，并且推薦使用Active miller clamp有源米勒鉗位和軟開關(guān)技術(shù)（英飛凌的很多Eice Driver電路就帶有此有源米勒鉗位功能），應(yīng)用也比較方便。
圖2· 英飛凌的Cool SiC MOSFET的需要平衡考慮的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
溝槽柵位于碳化硅外延材料器件元胞的溝槽內(nèi)部，優(yōu)化的晶向晶界可使有效電子遷移率保持最高狀態(tài)，這一點(diǎn)非常具有技術(shù)前瞻性。這么做起初很難，也顯得“舍近求遠(yuǎn)”“費(fèi)力不討好”，但是卻更加容易將如圖3白色所示的柵氧化層厚度做到較大值，而同時(shí)保持Vgsth達(dá)到最大值，驅(qū)動(dòng)Vgs，on可以是15V（第一代M1），也可以是18V（第二代M1H），推薦0V關(guān)斷，即Vgs ，off=0V。對于大多數(shù)客戶，這一點(diǎn)可能比較困難實(shí)現(xiàn)，需要高超的PCB等技術(shù)。但是，客戶完全可以采用負(fù)電壓關(guān)斷，一般20Khz的開關(guān)頻率以下，采用-4V關(guān)斷，或者-3V（在200Khz以下頻率），都是安全可靠的，不會影響器件長期柵安全工作區(qū)壽命。除了關(guān)斷負(fù)電壓，稍微比起IGBT小一點(diǎn)（較高頻時(shí)，有一點(diǎn)點(diǎn)受限）以外，溝槽柵Cool SiC MOSFET基本上與IGBT和普通功率MOSFET兼容了。（英飛凌IGBT的Vgsth=5.8V，Cool SiC MOSFET的Vgsth=4.5V，Cool MOS CFD7的Vgsth=4V）。我們許多人從事多年的電力電子硬件電路，最后才發(fā)現(xiàn)：電力電子器件的Vgsth越大越好??！在MOSFET的嚴(yán)酷的“共源噪聲”環(huán)境下，施加-4V之類的負(fù)柵壓Vgs,off，對于噪聲電壓來說是“杯水車薪”，只是稍微緩解一下問題，不能夠本質(zhì)上解決問題。此時(shí)，提高Vgsth閾值電壓值，才是唯一正確的解決問題的器件之路?？蛻糇约捍铍娐方鉀Q此問題，不是不行，而是難度極大，得不償失。英飛凌的設(shè)計(jì)者有好幾十年的功率MOS器件設(shè)計(jì)功力底蘊(yùn)，他們在SiC MOSFET的研發(fā)設(shè)計(jì)中，一直站在制高點(diǎn)上所帶來的巨大好處是：很快拉開與眾多平面柵競爭者的差距?，F(xiàn)在，許多知名廠家已經(jīng)開始認(rèn)識到英飛凌SiC MOSFET的巨大技術(shù)領(lǐng)先性，也在追趕跟隨研發(fā)溝槽柵SiC MOSFET。碳化硅溝槽柵門檻很高，歧路眾多（如圖2所示），研發(fā)者寥寥，需要投入巨大的成本、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)等支撐才行。
Cool SiC MOSFET的短路時(shí)間為2-3us，足夠快速過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間了。其體二極管的續(xù)流可靠性大幅度提升，這是由于如圖3中P+深井，將FWD部分與溝道部分立體分隔開來的緣故。
圖3· 英飛凌溝槽柵Cool SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)剖面示意圖（右圖：溝槽柵；左圖：平面柵對比）
目前，SiC MOSFET主要有3大類應(yīng)用領(lǐng)域（如圖5所示）：開關(guān)頻率100KHz以上的旨在減小體積增加效率的軟開關(guān)電源類應(yīng)用（PV inverter，OBC，DC/DC，快充樁等）；10-20KHz電機(jī)類電動(dòng)汽車逆變器的分立器件多并聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用（旨在提升效率5%～10%，增加電動(dòng)汽車最看重的續(xù)航里程10%以上，避開16Khz以下的音頻嘯叫噪聲），其他還有UPS等應(yīng)用（包括單端1700V器件的開關(guān)電源應(yīng)用，這一趨勢最近比較流行火熱）。
圖4·英飛凌Cool SiC MOSFET與其另外2個(gè)Cool 器件品牌器件的綜合性能對比
圖5· 英飛凌Cool SiC MOSFET的功率-頻率應(yīng)用范圍圖
SiC MOSFET是單極性器件，只有電子工作，沒有空穴輔助工作（SiC里的空穴遷移率也不高，不用也罷）。經(jīng)過匠心獨(dú)運(yùn)的精心設(shè)計(jì)，我們可以得到一種完美的開關(guān)器件，把MOS控制開關(guān)的微妙與碳化硅材料的威力有機(jī)結(jié)合起來，將高效性能發(fā)揮到極致。器件上，英飛凌做到了，驅(qū)動(dòng)上，英飛凌提供配套的最佳驅(qū)動(dòng)隔離電路Eice Driver系列（磁隔離原創(chuàng)設(shè)計(jì)，包括所有各種保護(hù)輔助功能）。因?yàn)橛w凌的Cool SiC MOSFET開關(guān)速度較快，功率容量也不小，客戶應(yīng)用好SiC MOSFET也還是需要一定的PCB等噪聲應(yīng)對處理水平的。SiC MOSFET有一點(diǎn)點(diǎn)小脾氣（主要是因?yàn)殚_關(guān)太快的緣故），需要軟開關(guān)技術(shù)來“化解”，或者用“高級并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)”來應(yīng)對處理。
在實(shí)驗(yàn)室里用雙脈沖測試臺可以初步評估測試CoolSiC MOSFET的開關(guān)性能的某些“局部”“相對靜態(tài)”情況。簡單地說：保持Vgs波形的安全完整性，不要疊加產(chǎn)生各種各樣的尖刺噪聲干擾，就是用好Cool SiC MOSFET的基本原則。此話聽起來似乎很容易，用起來卻發(fā)現(xiàn)“太難了！”。各種各樣的“似乎以此無關(guān)的事情”紛至沓來，不請自來，莫名其妙，匪夷所思。SiC MOSFET的世界真的是與眾不同。我們經(jīng)常能夠感受SiC MOSFET的“桀驁不馴，野性難馴”。想當(dāng)年，IGBT也不太好用，但是還是屬于比較“溫良恭儉讓”的類型。這就是有沒有“空穴”的巨大差別。
與IGBT比較，SiC MOSFET沒有那么好用，因?yàn)镮GBT的經(jīng)驗(yàn)不可直接套用，也沒有那么便宜。性價(jià)比不如Cool MOS（但是Cool MOS沒有1200V以上器件），如圖4所示。
碳化硅MOSFET的性能優(yōu)越，毋庸置疑。由于其芯片做的比較小，熱阻一般稍大，所以經(jīng)常是需要多個(gè)分立器件高頻并聯(lián)（模塊雖然也有提供，但頻率性能受限）。這一點(diǎn)技術(shù)門檻比較高，需要處理好“高頻均流”～“高頻振蕩噪聲”～“精簡緊湊型驅(qū)動(dòng)方案”等諸多技術(shù)難題。
在Cool SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，由于柵電場強(qiáng)度和頻率限制，關(guān)斷電壓Vgs,off只能夠選用比較小的負(fù)值電壓，比如-3V，-4V，還需要配合比較優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)電路（比如EiceDriver）和高頻布線。為了讀者能夠?qū)τ赟iC MOSFET的主要廠家產(chǎn)品有一個(gè)綜合性能對比，列出對比，如表1所示。結(jié)論：
英飛凌的Cool SiC MOSFET最大的競爭優(yōu)勢，就是Vgsth達(dá)到最高的4.5V。此值越高，本征抗噪聲性能越好，應(yīng)用越可靠。無論在硬開關(guān)還是軟開關(guān)應(yīng)用，這是決定性的。
采用英飛凌特殊結(jié)構(gòu)的溝槽柵的Cool SiC MOSFET才能夠?qū)gsth做到4.5V值而同時(shí)保持Vgs,on還比較低（15～18V），平面柵SiC MOSFET的性能受限制較多，比較難以取得這方面的進(jìn)展。
在高頻高功率電力電子電路系統(tǒng)中，器件原廠關(guān)鍵參數(shù)（比如Vgsth）的提升是“上游的改良進(jìn)步”，要比“下游的電路方面的改良進(jìn)步”更加顯得高效和簡潔。
Cool SiC MOSFET是一種比較理想的電力電子開關(guān)器件，需要從“應(yīng)力、噪聲、系統(tǒng)成本”的三重復(fù)合角度深刻理解它，才會把握并用好Cool SiC MOSFET。
英飛凌的Cool SiC MOSFET還在以下各方面表現(xiàn)精彩：自帶快軟高可靠寄生續(xù)流二極管，（英飛凌首發(fā)的）175C矩形RBSOA，軟開關(guān)應(yīng)用基本無需RC Snubber，與高溫?zé)o關(guān)的關(guān)斷損耗，完全可控的dv/dt，沒有0.7V導(dǎo)通電壓門檻值，等等。（Ver1.4b—-華偉）