碳化硅MOSFET是如何制造的？如何驱动碳化硅场效应管？

　　本文重点介绍采用STSiC电源组件的安富利硅器件，以获取SiC信息。
　　半导体已经走了很长一段路，因为分钟人项目开始了，叛徒八人对更好的办公室空气过滤是否会提高其产量感到困惑。近年来，人们大力推动节能转换。
　　通过这种推动，RDSon值在低mΩ范围内的硅MOSFET成为低压器件的熟悉事物，但MOSFET的阻断电压越高，RDSon就越高。由于RDSon如此之高，这些器件仍然不适合高电压和高功率应用，处理此类应用的唯一方法是使用IGBT器件。碳化硅或简称SiC已被证明是一种材料，可以用来构建类似MOSFET的组件，使电路具有比以往IGBT更高的效率。如今，SiC受到了很多关注，不仅因为它的特性，还因为器件对IGBT的价格越来越有竞争力，制造商在系统层面引入了长期投资策略，以确保供应。
　　STPOWER产品组合
　　毫无疑问，进入SiC供应商榜首的制造商之一是意法半导体。意法半导体在过去几年中投入了大量研发资金，为市场提供全面的STPOWER产品组合，但在材料供应方面也投入了大量资金。2019年，意法半导体收购了瑞典SiC制造商Norstel AB，还与CREE达成了一项多年协议，并于2020年初与罗门子公司SiCrystal就SiC晶圆供应达成了协议，仅举出一些战略举措。这一战略对意法半导体来说非常有效，因此意法半导体成为快速增长的SiC市场的关键参与者。为了不只流口水，现在让我们讨论一下SiC器件。
　　碳化硅，不那么新的材料
　　第一次记录在案的SiC材料实验是在1849年左右，这种材料已经广泛用于防弹背心或磨料。IGBT的发明者之一早在1993年就讨论了与硅（Si）器件相比，不同SiC材料的优越性能。表1显示了［1］和［2］中讨论的不同材料的值。这些值对SiC材料做出了一些有趣的陈述。在4：8x1016cm-3的掺杂水平下，击穿电场强度Ec比Si好一个数量级以上。
　　更高的饱和漂移速度vSAT以及更高的带隙电压Eg也很突出。一个有趣的数字是λ，它说明了热导率。在这里，SiC材料的性能是Si的两倍多，这为封装和封装密度以及电流处理能力带来了新的可能性。然而，［1］是从1993年开始的，就在过去几年中，SiC在市场上越来越受欢迎，所以一定有一些障碍需要解决。障碍是适当的批量种植过程。对于Si，根据柴可拉斯基工艺的批量增长得到了很好的理解和建立。这种散装物的通常增长率为每小时几米。
　　然而，该工艺不适合SiC体积增长。对于碳化硅生产，必须使用称为物理蒸汽传输（PVT）的工艺。该过程在腔室顶部使用晶种，在其下方有SiC源材料，其加热温度约为2000 - 2500°C。 这种高温导致蒸汽从源材料上升到晶种，因此体积生长。不幸的是，这个过程不如柴可拉斯基工艺快，因此产生的生长速度是每小时几毫米，比硅生长慢得多。不幸的是，该过程仍然远非完美，材料内部的缺陷密度相对较高，这在［2］中有详细描述。
　　

　　在表1中，还引用了GaN的材料特性。这种材料及其产生的产品目前也在市场上引起了一些轰动，但目前市场牵引力并不像SiC那么大，重点更多地放在高频应用中600V左右和以下的器件上。此类产品当然有一席之地，但在撰写本文时，SiC的产品种类并不存在，半导体供应商更关注SiC而不是GaN。这也是由于SiC的工艺在很多方面与Si工艺非常相似，并且机器可以用于两种材料，这显然是一个优势。
　　设备属性及其栅极驱动
　　现在我们已经详细阐述了SiC材料的特性，并了解到它在高能量应用中的参数优于Si，现在是时候仔细研究器件和应用了。如上所述，意法半导体是SiC市场的佼佼者之一，让我们来看看图1中的产品组合。
　　在查看该产品组合解决的电压范围时，很明显，SiC MOSFET与Si MOSFET竞争，并且存在与IGBT竞争的范围。在较低的电压范围内，Si MOSFET确实与SiC器件非常接近，但是，SiC器件可以提供更低的栅极电荷和更好的热规格。频谱的另一端是IGBT器件。很明显，由于SiC MOSFET的低RDSon，这些器件无疑优于IGBT，更不用说更低的栅极电荷了。
　　当以0V关闭SiC MOSFET时，必须考虑一种效应，即Si MOSFET中已知的米勒效应。当器件用于桥式配置时，这种影响可能会出现问题，尤其是当一个 SiC MOSFET 导通，而第二个 SiC MOSFET 漏极出现浪涌并因寄生效应意外打开时。这种导通会产生从高压到地的短路，从而损坏电路。
　　如何驱动碳化硅场效应管
　　考虑到卓越的材料性能，这个问题提出了如何控制这些部件才能发挥最佳作用。从我们所知道的事情开始，Si MOSFET需要一个正栅极电压，建议在12V左右甚至更低，负栅极电压应该是接地电位。IGBT具有不对称的栅极驱动电压，这意味着正栅极电压约为15V，负电压约为-5V。
　　

　　图 2：SCT30N120 输出特性 （Tj = 25 °C）
　　SiC MOSFET 基本上与 Si MOSFET 或 IGBT 的电压电平一起工作，但不是最佳参数。理想情况下，SiC MOSFET 在其栅极处获得 20V，以便在最小 RDSon 时导通。
　　当以0V关闭SiC MOSFET时，必须考虑一种效应，即Si MOSFET中已知的米勒效应。当器件用于桥式配置时，这种影响可能会出现问题，尤其是当一个 SiC MOSFET 导通，而第二个 SiC MOSFET 漏极出现浪涌并因寄生效应意外打开时。这种导通会产生从高压到地的短路，从而损坏电路。
　　然而，SiC器件可以在比前面提到的20V更低的栅极电压下工作，但输出特性变化很大，如图2所示。可以得出结论，较低的栅极电压会导致较低的整体系统效率。优化SiC MOSFET栅极驱动电路以实现具有足够高栅极电压的低RDSon，只是优化损耗工作量的一半。开关损耗是另一个可以优化的部分，如［3］所示。为了驱动 ［3］ 中的 SiC MOSFET，使用了 STGAPxx MOSFET 驱动器。STGAPxx MOSFET驱动器有两种不同的规格，如图3和图4所示。图3所示，该原理图显示了使用双极性栅极驱动器电源时如何实现SiC MOSFET的栅极驱动。如上所述，这种双极性栅极驱动电压不是强制性的，但它有助于最小化米勒效应，并产生更好的可控开关。因此，图4显示了具有有源米勒箝位的原理图。这使设计人员能够获得单极性栅极驱动器电源。
　　

　　图 3：具有半桥配置和独立栅极驱动路径的 STGAP2SICS。
　　

　　图 4：STGAP2SICS 采用半桥配置和带附加米勒钳位的组合栅极驱动路径。
　　取自［3］的图5和图6显示了优化栅极驱动电路中的电阻时在能量损耗方面的差异。具有10Ω或1Ω之间的差异是可以消除的250μJ损耗。它还指出，开关损耗不是对称的，这意味着接通损耗与关断损耗不同。还值得注意的是，如果需要更长的关断时间以获得更好的EMI性能，则由于斜率较低，因此不会像接通时那样严重地影响效率。
　　在比较IGBT和SiC时，还有一件事需要指出。SiC MOSFET与IGBT的一个主要区别在于器件何时关闭。要完全关闭，IGBT需要彻底清除其少数载流子。当IGBT已经关闭并且集电极和发射极两端的电压达到最大值时，最后一次传输就会发生，因此它对IGBT的开关损耗有巨大的贡献。SiC MOSFET不存在这种称为尾电流的效应，并且可以以更少的能量损失完成关断。
　　结论
　　本文讨论的参数和特性揭示了电力电子设计的某些方面。当前和未来的电子设计，如电池充电器、电机和太阳能逆变器，不仅可以从这些新器件中受益匪浅，不仅在效率上，而且在尺寸上，可实现高功率、高温操作。但是，不仅器件的特性让人对新设计充满好奇，也是意法半导体的战略。碳化硅（SiC）技术是意法半导体（STMicroelectronics）投资宽带隙（WBG）技术（包括氮化镓（GaN））战略的一部分。该公司为这项技术投入了大量资源，它承诺了一个光明的未来，甚至性能更好的SiC器件，我们都可以对此感到好奇和期待。
　　

　　图 5：在 VDD=800 V、ID=20 A、VGS=-2 V 至 20 V、Tj=25 °C 时，在 ［3］ 中测试和计算的 Eoff 与 Rg 的关系
　　

　　图 6：在 VDD=800 V、ID=20 A、VGS=-2 V 至 20 V、Tj=25 °C 时，在 ［3］ 中测试和计算的 Eon 与 Rg 的关系

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