1200V CoolSiCTM MOSFET兼具高性能与高可靠性

图4所示为4管脚TO-247封装单元器件产生的典型开关损耗，作为漏极电流的函数。关断能量E_off几乎不受负载电流影响，因为它取决于电容，而导通能量E_on则随电流线性增加。

施加20 A电流时，总损耗E_tot为0.43 mJ，开关频率范围为50~150 kHz。

试验条件：V_GS=15/-5 V、R_Gext=4.5Ω、V_DS= 800 V、T_vj=175℃，4管脚TO-247 封装半桥配置，TO-247封装的第4个管脚将驱动直接接至源极管脚，避免源极杂散电感导致负载电流产生负反馈。因此，相比于3管脚TO-247封装半桥配置，当电流为20 A时，总开关能量可降低约100 μJ。仅就使用相同芯片的优化封装而言，降幅达到30%。

图5展示了MOSFET通过调节栅极电阻RG来轻松控制电压斜率dv/dt的能力。对于变频应用，这一点特别令人感兴趣。然而，降低电压斜率dv/dt的代价是增加开关损耗。

图5为典型开关损耗(左轴，黑色曲线)和最大dv/dt值(右轴，红色曲线)与RG的关系。试验条件：V_DS=800V、I_D=40A、V_GS=15/-5V、T_vj=175℃，3管脚TO-247封装半桥配置。

显然，在没有dv/dt限制的应用中，损耗降低更为显著，并且损耗降低随开关频率而增加。在DC-DC升压器或降压/升压拓扑中，这很常见，其优点是可以实现更小、更轻、更廉价的磁性元件。诸多不同研究已经证明，哪怕是用更高成本的开关器件，也能够在许多应用里节省材料成本。SiC元件成本将随时间的推移而降低，因此，今后三到五年，采用SiC器件的应用将越来越多。

静态性能

MOSFET的静态输出特性的关键参数是总电阻RDS(ON)。在室温和V_GS=15V条件下，新推出的芯片可以实现45m?的典型导通电阻。导通电阻温度系数为正值，因而，该器件注定适用于并联应用。图6将输出特性与目前英飞凌性能最好的1200V HighSpeed 3 IGBT进行了直接比较。得益于拐点电压通态特性，特别是在轻载条件下，导通损耗可大幅降低。在系统级，不产生拐点电压的导通性能特性，有可能大幅降低损耗。许多系统在其使用寿命期间的大多数时候都在轻载条件下运行，因此，导通损耗大大低于标准IGBT技术。哪怕在低于5 kHz的极低开关频率和不变dv/dt斜率条件下，相比于当前市场上的商用IGBT解决方案，采用同步整流模式的集成体二极管无拐点电压开关也可将总损耗降低50%。

不同于升压级，典型逆变器应用要求精确界定的短路耐受能力，特别是现场发生故障时。为了满足这个重要需求，CoolSiC? MOSFET将短路耐受能力纳入技术规格的SiC MOSFET。

不同于典型DMOS性能，转移特性(25℃/175℃)在V_GS=12 V时出现交叉点。高于12V时，电流随温度升高而下降，这有利于限制短路事件饱和电流。

图7所示为最严重的所谓硬短路事件。详尽地分析了器件在这种特殊情况下的性能和稳定性。CoolSiC? MOSFET是第一个将短路耐受能力纳入技术规格的碳化硅MOSFET。

不同于标准IGBT，短路电流升至器件额定电流的10倍。取决于上述特性，第一个尖峰结束后，，饱和电流随温度降至较低水平。

结语

英飞凌SiC沟道MOSFET概念将低导通电阻与优化设计相结合，可防止过高栅极氧化层电场应力，从而实现类似于IGBT的栅极氧化层可靠性。就开关性能和损耗而言，SiC沟道MOSFET可实现优异性能。分析证实，可在开通和关断瞬态下，完全控制电压斜率。栅极电阻也可以控制导通电流斜率。在关断状态下，di/dt取决于寄生电容效应。

此外，CoolSiC? MOSFET拥有电气性能和诸如短路可靠性等稳健特性的组合。

就电源转换效率和功率密度而言，CoolSiC? MOSFET技术在电力电子方面具有开创性。

本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第80页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。