mSiC™ MOSFET技术：卓越的性能和稳健性

作者：Microchip   Kevin Dykyj

碳化硅（SiC）MOSFET 技术的诞生标志着电力电子领域取得重大进步，可助力设计更为高效、紧凑和可靠的系统。SiC MOSFET 取代了传统的硅器件，在提高开关频率的同时降低了开关损耗和导通损耗。

挑选最佳解决方案：碳化硅 MOSFET 相较于 IGBT 的优势

碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）技术的诞生标志着电力电子领域取得重大进步，可助力设计更为高效、紧凑和可靠的系统。SiC MOSFET 取代了传统的硅器件，在提
高开关频率的同时降低了开关损耗和导通损耗。这些优势有助于减小元件尺寸和减少元件数量，从而为整个系统减小尺寸、减轻重量和降低成本。SiC MOSFET 可助力实现高效、灵活且可靠的高电压应用。



SiC MOSFET 支持更高的工作温度，更快的开关速度和更高的击穿电压，可助力打造更高效、更紧凑的电力电子系统。此外，SiC MOSFET 还具有更低的导通电阻，有助于降低工作期间的功率损耗。得益于稳健性和对热失控免疫能力的提升，SiC 更适合大功率应用。我们的 mSiC™ MOSFET 涵盖700V、1200V、1700V 和 3300V（3.3 kV）SiC MOSFET。

综上所述，SiC 与硅相比具有以下优势：

• 工作温度更高
• 击穿电压更高
• 导通电阻更低
• 开关速度更快
• 稳健性更高



mSiC MOSFET 的结构

在 SiC MOSFET 中，源极电极、漏极电极和栅极电极由SiC 漂移层（充当半导体）隔开。向栅极电极施加电压时，将形成电场来控制源极电极与漏极电极之间的电流流动。



栅极氧化层稳定性

第三方测试结果表明，在负栅极和正栅极偏压下施加长达 1000 小时的加速应力后，mSiCMOSFET 中的阈值电压几乎没有变化。这些数据是基于生产级 1200V、40 mΩ 器件统计得出。如果阈值电压发生变化，器件性能（如导通电阻）也将发生明显变化，并且随着时间的推移，这可能会导致系统行为不稳定并引发系统故障。鉴于阈值电压如此稳定，电源转换系统势必能够在设计的使用寿命内（甚至超出使用寿命）正常、可靠地运行。

除了单触发非钳位感性开关（UIS）测试之外，还需要进行重复 UIS（RUIS）测试来验证氧化层强度；我们会先进行 10 万次 RUIS 测试，然后进行经时介电层击穿（TDDB）测试。

通过在正栅极和负栅极下施加 1000 小时加速高温栅极偏压（HTGB）应力并对比前后的电压阈值（Vth）测量结果，我们发现阈值电压几乎没有变化。如果阈值电压发生变化，则会发现器件性能（如导通电阻）也发生明显变化，这可能导致系统行为不稳定，最终引发系统故障。



栅极氧化层使用寿命

栅极氧化层的使用寿命决定着器件能够承受的最大工作电压。栅极氧化层是将栅极电极与半导体基板隔开的绝缘层。向栅极电极施加高电压时，可能会击穿栅极氧化层。这会导致流过器件的电流突然增大，进而损坏或毁坏器件。

除了单次 UIS 测试之外，还需要进行 RUIS 测试来验证氧化层强度。我们会先进行 10 万次 RUIS 测试，然后进行 TDDB 测试。

通过使用生产级 mSiC MOSFET、加速氧化层失效、高温和高电场，我们观察到不同失效模式呈威布尔分布。我们可以计算每种失效模式的活化能，然后预测氧化层的寿命。基于测试，我们发现在建议的 20V VGS条件下，氧化层的使用寿命长达 100 年以上——即使在 175°C 的高温环境下也能达到。

栅极氧化层的完整性至关重要，可确保其在整个使用寿命内可靠地发挥作用。此外，氧化层的强度还能在耐受电气瞬变方面发挥作用。


数据来自生产级 1200V、40 mΩ SiCMOSFET

内部二极管稳定性

SiC MOSFET 自带内部二极管，用于反向传导电流。当 SiC MOSFET 关断时，内部二极管将传导电流以防止电压升得过高。如果内部二极管不稳定，则会产生电压尖峰，进而导致器件损坏或失效。内部二极管的稳定性可能受温度、电流和电压等多个因素的影响。

与 IGBT 不同，SiC MOSFET 可使用自带的内部二极管传导反向电流。但是，在某些器件中，内部二极管的性能会随着时间的推移而下降，导致内部二极管两端的压降变大，RDS(on)增加，进而产生更多热量并可能造成系统失效。

俄亥俄州立大学的研究人员曾对市面上的几款 SiC MOSFET 产品进行了研究。他们在施加数小时的恒定正向电流应力后测量了内部二极管 I-V 曲线和 MOSFET RDS(on)。其中一家供应商的
内部二极管产品在开始施加应力后不久就出现了明显的性能下降，还有一家供应商的内部二极管品由于性能下降幅度过大直接报废，而 Microchip 的内部二极管产品性能则没有变化。

此外，使用稳定的内部二极管还可以减少元件数量（即，无需使用反并联二极管或续流二极管），从而降低成本。我们的测试结果可以保证让损耗曲线保持在设计窗口内，从而确保在汽车的使用寿命内正常发挥作用。



雪崩/重复 UIS

耐雪崩能力对于 SiC MOSFET 来说非常重要，因为它可以让器件承受高电压而不损坏。向SiC MOSFET 施加高电压时，形成的电场会导致电子脱离原子并造成电子雪崩。这种电子雪崩可能会导致流过器件的电流突然增大，进而损坏或毁坏器件。

耐雪崩能力以雪崩能量来衡量，雪崩能量是指器件在发生故障之前能够吸收的能量总量。SiC MOSFET 的雪崩能量通常比硅 MOSFET 高得多，这是 SiC 的固有特性使然。

当负载电流突然大量流入 MOSFET 时，不仅漏源电压会一直攀升至实际的击穿值，MOS 沟道也将得不到增强，进而导致雪崩电流聚集在芯片边缘附近。

我们观察到四款 MOSFET 中有三款在 RUIS 测试中表现良好。但是，当我们查看 Microchip与其他三家 SiC MOSFET 供应商的 TDDB 测试结果时，我们发现 mSiC MOSFET 的表现尤为突出。对于每一款产品，我们都是先进行一次 TDDB 测试，接着进行 10 万脉冲的 UIS 测试，最后再进行一次 TDDB 测试。

只有我们的器件在 RDS(on)和漏源泄漏方面表现出无与伦比的稳定性，这表明我们的 mSiCMOSFET 确实具备很强的耐雪崩能力，能够安全地度过最苛刻的电过应力条件。



抗短路能力

抗短路能力强的器件能够承受高电流而不会损坏。发生短路时，流过器件的电流可能会增加到极高的水平，这会导致器件过热并发生故障。SiC MOSFET 的抗短路能力比硅 MOSFET 强得多，因此能够承受更高的电流而不会损坏。这一点对于存在短路风险的应用以及对电流需求较高的应用（如电动车（EV））来说非常重要。

SiC MOSFET 的抗短路能力通过短路电流来衡量，短路电流是指器件在不损坏的情况下可以承受的最大电流。SiC MOSFET 的短路电流通常比硅 MOSFET 的短路电流高得多。这是因为 SiCMOSFET 是由能够承受更高电流而不会损坏的材料制成。

短路耐受时间是指 MOSFET 能够在漏极端子与源极端子之间突然短路的直流链路中保持有效的时长。发生短路时，MOS 沟道会得到增强，这意味着过应力浪涌会均匀地分散到整个芯片上。在各种直流电压和栅极电压下测试生产级 700V、35 mΩ mSiC MOSFET 时，我们发现对于350V 直流链路，该器件可以在 VGS = 20V 的条件下安全地度过 10 µs 的短路时间。即使是 560V 直流链路，700V MOSFET 也能承受 3 µs 的短路时间，这对于等待控制方案进行救援来说绰绰有余。


短路仿真短接直流链路上 MOSFET 漏极-源极的应用条件


单元增强（MOSFET 导通）；峰值电流会均匀地分散到整个芯片上

中子敏感性和 FIT 率

SiC 器件的抗辐射损伤能力同样要比硅器件强，因为 SiC 的电子密度比硅高，这使得辐射更加难以影响原子中的电子。当系统的工作高度为海平面或海平面以上时，性能可能会受到中子的影响而下降甚至失效。测试表明，在额定电压下，SiC MOSFET 的失效率（FIT）是同类硅 IGBT 的十分之一。

针对多家供应商的 SiC 产品进行的测试也表明，mSiC MOSFET 在抵抗中子辐射方面的表现优于 SiC 竞品器件。因此，从逻辑上来讲，SiC 非常适合电动车充电器、车载充电器和电源等应用（这类应用的最高工作海拔高达 4000m 至 5000m）。


在额定电压下，SiC MOSFET 的 FIT 率是同类硅IGBT 的十分之一


Microchip SiC MOSFET 在抵抗中子辐射方面的表现优于 SiC 竞品器件

RDS(on)与结温

RDS(on)与结温之间的关系会影响电路的整体性能，因此非常重要。RDS(on)曲线能够很好地指示耐用性，呈现器件的性能表现。如果 RDS(on)太高，电路将无法按预期工作。

较低的 RDS(on)有助于器件承受高温和高压，从而快速高效地进行开关操作，并且有助于器件承受恶劣的环境。此外，较低的 RDS(on)还可以提升电路的效率：RDS(on)越低，MOSFET 中的功率损耗越少。



了解 RDS(on)与结温之间的关系之所以非常重要，还有一点是因为这有助于为应用挑选合适的 MOSFET。如果已知 MOSFET所承受的结温，便可以选择能够承受该温度且 RDS(on)较低的 MOSFET。这将有助于确保您的电路按预期工作。

如果整个温度范围内的 RDS(on)曲线更加平坦，则意味着 SiC MOSFET 器件在更大的温度范围内的导通损耗将具有更高的稳定性，这有助于设计人员更严格地把控热管理裕度。

开始使用 SiC 进行设计

开始使用碳化硅（SiC）进行设计之前需要了解其优势和应用。我们提供了一系列碳化硅（SiC）功率产品，这是打造更快速、更高效的能源解决方案的关键所在。我们建议您事先阅读一下我们的 SiC MOSFET Design Recommendations 和 Driving mSiC MOSFETs 应用笔记。

此外，我们还针对 SiC 设计流程提供了全面支持（包括大量文档、设计工具、SiC 参考设计和技术支持），以辅助设计人员进行产品开发。