具有快速开关和低VCESAT的1200V碳化硅双极性晶体管

飞兆半导体 Martin Domeij

1200 V Silicon Carbide Bipolar Junction Transistors with Fast Switching and Low VCESAT

由于能源成本上升和人们积极应对全球变暖，电力电子设备的能源效率已经变得越来越重要。为了提升电力电子设备的能源效率，具有较低功率损耗的功率半导体器件技术是关键所在。在半导体器件中，功率损耗的降低可以改善系统效率，并带来直接的能源节省。降低的低功率损耗同样是有益的，可以减小系统体积，并增加像在混合动力及电动汽车领域的市场渗透。

随着开关电源和太阳能DC/AC转换应用逆变器市场不断增长，碳化硅(silicon carbide，SiC)功率二极管得到了广泛应用。SiC二极管技术的主要优势是快速开关且无反向恢复。当与超级结FET等快速开关器件一起使用时，SiC二极管能够实现更高的开关频率，减少无源元件并降低总体系统成本。SiC二极管技术已在现场应用中被证明是可靠的，采用工业晶圆，使得外延和半导体制造工艺用于SiC成为可能。后面重要的一步就是将向市场推出SiC功率开关管。

SiC功率开关管与SiC二极管一起使用，可以进一步减小开关功率损耗，相比Si超级结FET或IGBT，具有显著降低的通态(on-state)功率损耗。基于SiC功率器件系统的一个优点就是，可以工作在更高的结温，采用合适的封装技术，器件的工作温度甚至可以达到250℃。

在SiC功率开关管中，三种相互竞争的技术MOSFET、JFET和双极性晶体管(bipolar junction transistor，BJT)均可提供样品或完全上市的成品。飞兆半导体已经开发了额定电压为1200 V的BJT器件，与硅功率双极性晶体管截然不同。它具有很高(接近于100)的电流增益，且在大集电极电流下无衰减；开关速度象单极器件一样快，并且非常稳健，没有二次击穿问题。

图1显示了飞兆半导体SiC BJT有源区的横截面原理图，该器件是一种垂直外延NPN晶体管，集电极在晶圆的背面。基极-发射极和基极-集电极结可通过干法刻蚀来形成，在有源区内有许多窄发射极梳状条，由基极-集电极结环绕着。P型离子注入用于形成低电阻基极欧姆接触和高压阻挡结终端。蚀刻和曝光的表面被钝化，在厚绝缘氧化层沉积后进行厚铝垫(Al pad) 沉积，用于形成发射极和基极。在SiC BJT芯片的背面进行金属化，可兼容标准的贴片技术，正面有厚Al层适合厚Al引线粘接。SiC BJT备有两种封装：标准TO-247和专用高温金属TO-258封装。这些封装提供两种不同的芯片尺寸，分别用于15A和50A额定电流。

图1 BJT有源区和结端横截面原理图

图2显示了采用TO-247封装的1200V SiC BJT在室温下的IC-VCE特性曲线。SiC BJT具有良好的传输特性，并具有确定的导通电阻，类似于功率MOSFET。图3显示了电流增益、VCESAT 和VBESAT与集电极电流的特性曲线。电流增益随集电极电流而增加，并在15A的额定电流下，达到略高于100的稳定水平。在高集电极电流下，电流增益无衰减，因为SiC中的掺杂浓度高于Si功率BJT。因此，在额定电流下高量注入不会发生。


图2 室温下额定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特征曲线

图3显示了VCESAT 随集电极电流呈线性增加，且在额定电流IC=15A时，其值为0.75 V。对于具有4.68 mm2有源区(active area)的15A SiC BJT芯片，相应的特征导通电阻(specific on-resistance)仅为2.3 mΩcm2。就我们所掌握的知识，对于任何1200 V额定功率器件，这是最小的特征导通电阻。在VCEO=1200 V时的关断状态(open-base)下，15A SiC BJT的漏电流小于10μA，并且击穿电压的典型值是1500V。


图3 额定电流15 A的1200 V SiC BJT的电流增益、VCESAT和VBESAT

图4显示了15A 1200V SiC BJT在IC=12 A和800 V及150℃下的开关测量值，其结果是VCE上升和下降时间在10ns-30ns范围内。即便在150℃下，关断性能也无拖尾电流，因为SiC BJT的存储电荷非常少，可以推动SiC BJT进入深度饱和，而无开关损耗。在通态(on-state)期间，SiC BJT的快速开关是由于基区和集电区中存储的自由载流子电荷较少，所以可以忽略对开关性能的影响。开关速度只受寄生的基极-集电极和基极-发射极电容控制，因此证明了开关速度和开关功率损耗极可能与温度无关。


图4 在T=150 C与IC=12 A和VCE=800 V下，导通(左)和关断(右)的开关测量数值

为了实现快速开关，在导通(turn-on)和关断(turn-off)期间，使用提供高动态基极电流的驱动电路是非常重要的。图4中的开关波形包含了不需要的振荡，它的产生是因为TO-247封装和测试电路中的寄生电感。通过把SiC BJT芯片封装在具有最小电感的电源模块中，并分开用于驱动电路和发射极间连接的引脚，可以获得改进的开关性能。

飞兆与Danfoss Silicon Power和德国基尔应用科学大学(University of Applied Sciences Kiel)合作，研制了具有多个并行BJT芯片的原型电源模块。原型电源模块包含了两个引线，有六个并行联接的50 A SiC BJT芯片和六个反向并联的50 A SiC肖特基(Schottky)二极管芯片。该电源模块的尺寸为61 mm x 49 mm，采用环氧树脂封装，采用银烧结贴片技术。图5显示了单引线SiC BJT模块的IC-VCE 特性曲线。在IC=300 A下，正向压降VCESAT只有1.0 V。



图5 使用六个平行50 A 1200 V BJT芯片，采用环氧树脂封装的原型电源模块的单引线IC-VCE特征曲线

来自SiC BJT的外部器件评估结果是肯定的。仿真结果表明，假如可以用SiC BJT 取代Si IGBT，在PV逆变器中使用1200V器件，升压转换器的开关频率可以从16 kHz提高到64kHz，而不会增加总的功率损耗。使用SiC BJT和SiC肖特基二极管的完全基于SiC的电源模块技术，对于光伏逆变器和高端马达驱动，能够提高效率和增加开关频率。我们提供驱动电路指南和应用指南以支持SiC BJT技术，为客户提供改进能源效率的解决方案。也提供采用特殊金属TO-258封装的SiC BJT，目标为高温电力电子设备应用，比如石油和天然气钻探及航空。