碳化硅（SiC）开关对于功率转换器在尺寸、重量和/或效率方面的差别变得日益重要。SiC 的专用材料特性能够设计不含少数载流子的单极器件，而非电荷调制的 IGBT 器件。因此，它们的效率最高，开关频率较高，减少了散热，节省了空间 — 这些优势反过来又降低了总成本。除了静态和动态性能之外，还需要解决更多问题才能用于更大容量的逆变器。必须具备适当的栅极氧化层可靠性以及足够的阈值电压和面向应用的短路鲁棒性。用于接通的 VGS= 15V 的 IGBT 兼容驱动将简化从 IGBT 到 SiC MOSFET 解决方案的转换。这些问题通过 Infineon 全新的 1200V CoolSiC™ MOSFET 予以解决。
介绍
阻断电压为 1200V 的 SiC MOSFET 在太阳能转换器、UPS、电池充电器以及工业驱动器等应用领域颇具吸引力。这些应用得益于开关损耗和传导损耗的降低；可以改变热预算以实现更高的开关频率，从而减小无源元器件的物理尺寸，并将冷却工作量、重量和成本降至最低。
CoolSiC™ Trench MOSFET 的设计旨在限制导通状态和关断状态下栅极氧化层中的电场。提供了一个颇具吸引力的 1200 V 级比导通电阻，即使在批量生产中也能以稳定和可重复的方式实现。在 VGS = 15 V 的驱动电压水平，已经实现了低导通电阻。
基准栅极-源极阈值电压是 4V。这些边界条件是在硅功率半导体界中转换质量保证方法的基准，以保证在工业乃至汽车应用中达到预期的 FIT 率。
图1：CoolSiC™ MOSFET 主要产品概述
封装设计对于快速开关 IGBT 和 SiC 晶体管同样重要。
从可用的功率模块平台来看，有些封装对于快速开关 SiC 器件是极为有利的。杂散电感需尽可能低，而且需要高度对称的设计。
例如，Easy-Module 平台是专为此而设的。.与带底板的众所周知的标准封装不同，Easy-Module 平台可以构建高度对称的低电感设计。出于这个原因，采用常用的柔性 Easy1B 功率模块实现了首批 SiC 半桥和升压器解决方案，这些解决方案针对光伏、电动车辆充电和不间断电源进行了优化。
Easy 模块的柔性引脚网格简化了 PCB 布局，并提供低于 10 nH 的杂散电感。与 EconoDUAL™ 等现有解决方案或标准的 SIXPACK 设计相比，这是一个巨大的改进，降低了 70-80％。这代表功率模块设计取得了巨大飞跃。
图 1 所示为主要产品的概述。所列产品仅仅是获取广泛优化的 CoolSiC™ MOSFET 产品组合以及正在开发的更多器件的第一步。
器件设计理念
SiC-MOSFET 的开关损耗通常很低，尤其是几乎不受温度的影响。先进的设计活动关注的是特定范围的导通电阻，该电阻是给定技术的主要基准参数。对于基于 4H-SiC 的平面 MOSFET，必须处理导带附近异常高的接口陷阱密度。这最终导致信道迁移率非常低，因此信道对总导通电阻的贡献很大。基于 SiC-MOSFET 的器件的各种特性反映了高缺陷密度。克服这种困境的一种观察方法是增加施加在导通状态下整个氧化层上的电场，超出硅基 MOSFET 器件通常所用的值。导通状态下氧化层中的这种强电场可能会加快磨损。这可以看成是一种长期的可靠性风险，尤其是对于 SiC 基底的高缺陷密度。
基于这些考虑，显然 SiC 平面 MOSFET 器件实际上有两个有关氧化层电场力的敏感区域，如图 2 左半部分所示
图2：左半部分：平面 MOSFET 的典型结构，显示出两个有关氧化层电场力的敏感区域。右半部分：沟槽 MOSFET 的典型结构，关键问题是沟槽拐角处的氧化层电场力。
首先是经常探讨的漂移区和栅极氧化层之间的接口附近的最高电场区域中反向模式的应力，其次是导通状态下承受应力的栅极和源极之间的重叠。
由于没有采取可以降低导通状态下电场力的器件设计措施，导通状态下的强电场被认为更加危险。因此，总体目标是结合 SiC 可能提供的低 R DSon 与将部件保持在经深入研究的安全氧化层场强条件下的一种工作模式。在导通状态下，今天可以通过从高缺陷密度的平坦表面转向其他更有利的表面实现这一点。
栅极氧化层可靠性
SiC MOS 器件的栅极氧化层可靠性方面面临的挑战是，给定的工作条件下在整个期望的使用寿命期间确保足够低的故障率，包括非本征缺陷。在 20 年的运行中，一般的工业要求目标是 << 100 ppm。SiC MOS 器件的栅极氧化层存在非本征缺陷的根本原因主要由基板材料内的缺陷，外延工艺以及贡献较小的剩余工艺链所决定。商用 MOSFET 产品的测试表明，这个问题依然是用于工业系统时一个颇令人担心的问题。
因此，为了研究 Infineon CoolSiC™ MOSFET 的非本征栅极氧化层的故障率，对大量器件进行了长期试验。对两组 1000 个分立器件进行了一项实验，实验于 150℃ 在恒定的栅极偏压应力下分三次进行，每次持续 100 天。图 9 对试验结果进行了总结。100 天后，栅极源电压增加了 5V。
这些统计数字与线性 E 模型完全相符。确定了对应图 3 中实线的最佳拟合的加速系数。
使用推荐的电压水平，将该结果推演到 20 年的器件使用寿命，该模型预测故障率为 0.2 ppm。因此，有证据表明栅极氧化层的可靠性类似于已知的 IGBT 的可靠性，完全符合一般的工业要求。
图3：长期试验：在应力天数之内绘制故障的次数。共 2 组 1000 个器件，于 150°C 在所示的恒定栅极电压 VGS 下进行试验。VGS 每 100 天增加 5 V。每个点表示一次故障。实线表示通过线性 E 模型进行的预测
动态性能
作为单极器件，SiC-MOSFET 的动态性能主要取决于其电容。与输入容量 Ciss 相比，该器件的栅极 - 漏极反向容量 Crss 很小。这有利于防止以半桥配置运行时 MOSFET 产生寄生接通电路和复杂的栅极驱动电路。
图 4 显示了作为漏极电流的函数，单个器件安装在 4 脚 TO-247 外壳中的半桥的典型开关损耗。关断能量 Eoff受容量支配，因此几乎与负载电流无关，而接通能量 Eon 则随电流线性增加。
在 20A 的应用电流下，总损耗 Etot 为 0.43 mJ，实现了 50-150kHz 范围内的开关频率。
图4：作为漏极电流 ID 函数的典型开关能量。
条件： VGS = 15 / -5 V， RGext = 4.5 Ω， VDS = 800 V， Tvj =175° C，半桥配置的 4 脚 TO-247
TO-247 封装的第 4 个引脚将栅极驱动器连接到源极 i，避免了源极杂散电感产生的负反馈。如此，与半桥配置的 3 脚 TO247 相比，在 20 A 的电流下共可以节省大约 100mJ 的开关能量。仅仅对使用相同芯片的封装进行优化便减少了大约 30％。
通过图 5 可以了解，MOSFET 可以通过调整栅极电阻器 RG 轻松控制电压斜率 dv/dt。这一点尤为吸引驱动应用。但电压斜率 dv/dt 下降付出的代价是开关损耗的增加。
图5：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 RGext 对比图。
条件： VDS=800 V， ID = 40A， VGS = 15 / -5 V， Tvj=175°C，半桥配置的 3 脚 TO-247
显然，在没有 dv/dt 限制的应用中损耗减少更为突出，并随开关频率增加。这在 DC-DC 升压或降压/升压拓扑中很常见，其优势是磁性元器件更小、更轻、成本更低。各项研究已经证明，即使使用更昂贵的电源开关，也可以降低多种应用的材料成本。对于 SiC 基元器件，随着成本按照预期逐渐降低，应用的数量将在中期内有所增加。
静态性能
MOSFET 静态输出特性的关键特性是信道电阻 RDS（ON）。新引入的芯片在室温下 VGS= 15 V 的情况下具有 45mΩ 的典型导通电阻。该导通电阻的正温度系数使得器件只能用于并联。图 6 直接对比了输出特性与最新的 1200V 高速 3 IGBT。由于无阈值通态特性，传导损耗会大幅降低，特别是在部分负载的情况下。在系统层面，无阈值传导行为的功能为减少损耗带来极大的可能性。许多系统大部分时间在部分负载条件下运行，与竞争性的标准 IGBT 技术相比，传导损耗相当低。即使在开关频率低于 5 kHz 以及 dv/dt 斜率保持不变的情况下，也可以看出，与今天的商用 IGBT 解决方案相比，带有集成体二极管的无阈值开关在同步整流模式下总损耗可能降低 50％。
图6：与 IGBT 解决方案相比典型的 SiC-MOSFET 输出特性
与升压级不同，典型的逆变器应用需要明确的短路能力，特别是在电场发生故障事件的情况下。作为市场上第一款具有短路鲁棒性规格的 SiC-MOSFET，CoolSiC™ MOSFET 恰恰反映了这一重要需求。
与典型的 DMOS 行为不同，传输特性（25°C/175°C）在 VGS= 12V 处出现交叉点。12V 以上，电流随温度下降，有利于限制发生短路事件时的饱和电流。
图 7 所示为最关键的所谓硬短路事件。对短路情况下的行为和鲁棒性进行了详细的分析，以使短路时间规格可以达到 3 微秒。
图7：室温下 TO-247-4 中 CoolSiC™ MOSFET 的典型短路行为
图 8 所示为最关键的所谓硬短路事件。对短路情况下的行为和鲁棒性进行了详细的分析，以使短路时间规格可以达到 3 微秒。
与标准的 IGBT 不同，短路电流与器件的标称电流相比上升了 10 倍。第一个峰值之后，由于上述与温度相关的特性，饱和电流大幅下降。
总结
Infineon 是 SiC 技术商业应用的先驱。该公司早在 2001 年就率先在市场上推出了 SiC 基二极管。同时第五代可以用作分立器件。产品设计始终紧紧围绕有利的成本绩效评价。
Infineon SiC-Trench-MOSFET 的理念结合了低导通电阻与可以防止栅极氧化层电场力过高的优化设计，提供了可以媲美 IGBT 的栅极氧化层可靠性。SiC-Trench-MOSFET 在开关行为和损耗方面性能优越。所做的分析证实，布斯电压斜率、接通和关断瞬态完全可控。当前的接通斜率也可以通过栅极电阻器进行控制。关断状态下，di/dt 由寄生电容效应决定。
此外，该器件完美融合了电气性能和短路可靠性等鲁棒性功能。
CoolSiC™ MOSFET 技术开启了功率电子学在功率转换效率和功率密度方面的新时代。
鸣谢
我要感谢 Infineon 的所有同事，他们的贡献使得这项 CoolSiC™ MOSFET 技术成为可能，特别是以下地区概念、技术和模块开发团队的成员：埃朗根、菲拉赫和瓦尔施泰因。
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