英飞凌从硅基功率MOS、IGBT到沟槽栅SiC MOSFET,继续领跑功率器件
更新时间:2020-06-23 点击:162

英飞凌从硅基功率MOS、IGBT到沟槽栅SiC MOSFET,继续领跑功率器件

宽禁带功率半导体开关器件的研发,绝不是仅仅换了一种材料这么简单的事情!也绝非弯道超车就容易成为领跑者。英飞凌在九十年代就开始研究过碳化硅功率器件,研发过平面栅SiC MOSFET。由于当时碳化硅材料缺陷水平限制,后转向于研制常开型SiC JFET器件,也推出过常闭型低压硅MOSFET+常开型SiC JFET构成的级联器件,因为达不到英飞凌对于功率开关器件高质量的要求,没有正式推向市场。现在,英飞凌推出非对称沟槽栅高Vgsth的SiC MOSFET开关器件,又成为了技术领跑者。

图1. 碳化硅与硅材料的主要性能参数对比

英飞凌深耕沟槽栅MOS功率器件好几十年,从最早的沟槽栅IGBT,到屏蔽沟槽栅结构的低压OptiMOS,以及体二极管经过特殊处理加固的CFD类型的CoolMOS(也有类似的沟槽结构),再到现在的沟槽栅Cool SiC MOEFET,可以说积累了极为丰富的器件和客户应用反馈的长期经验,经过严格验证的“闭环”经验,这些经验绝不是可以一蹴而就、拿过来即可速成的。经过这几年的实践摸索和对比验证,英飞凌的CoolSiC MOSFET又像当年的NPT-IGBT、CoolMOS、FS-Trench IGBT那样,再一次领跑功率开关器件。

与硅材料比较,从图1数据,可以看出来,SiC材料的禁带宽度和临界击穿电场强度虽然较高,但是其空穴迁移率很低(也是SiC MOSFET的体二极管压降比较大的原因之一),电子迁移率也不高,这绝不是优点。在平面栅的SiO2-SiC界面的界面态等杂志缺陷的存在,使得感应的导电沟道中的电子等效迁移率可能更低。但是,因为硅MOS器件就是从平面栅开始的,绝大多数厂家先以平面栅MOSFET结构研发SiC MOSFET。这一条路,看似起步容易,却是越走越难!因为不论什么材料的功率MOS器件,必须要符合一些基本条件:常闭器件;其阈值电压Vgsth必须要大于4V(常温状态),而且Vgsth随着高温下降幅度不能够太大(最好超过3V,不能够低于2V)。一般IGBT和所有的MOSFET的Vgsth都要随着温度增加到结温150C而下降1V左右。而IGBT开关较慢,还可以加负电压,从-5V直至-15V,以应对Vgs上的噪声电压;大功率硅基MOSFET也可以加一定的负压抵抗噪声;SiC MOSFET对于负的Vgs电压比较敏感:器件本身推荐零电压关断,但是客户还是希望加一定的负压抵抗噪声,比如-5V(至少-3V)。当开关频率超过200KHz时,Vgs,off=-3V(max),再大值的负压,会影响器件长期寿命。这是沟槽栅器件所带来的较高频率下开关工作的一个额外限制。在实际应用时,不难应对处理:fsw=200KHz(或者更高频率),Vgs,off=-2V,并且推荐使用Active miller clamp有源米勒钳位和软开关技术(英飞凌的很多Eice Driver电路就带有此有源米勒钳位功能),应用也比较方便。

图2· 英飞凌的Cool SiC MOSFET的需要平衡考虑的主要设计参数

沟槽栅位于碳化硅外延材料器件元胞的沟槽内部,优化的晶向晶界可使有效电子迁移率保持最高状态,这一点非常具有技术前瞻性。这么做起初很难,也显得“舍近求远”“费力不讨好”,但是却更加容易将如图3白色所示的栅氧化层厚度做到较大值,而同时保持Vgsth达到最大值,驱动Vgs,on可以是15V(第一代M1),也可以是18V(第二代M1H),推荐0V关断,即Vgs ,off=0V。对于大多数客户,这一点可能比较困难实现,需要高超的PCB等技术。但是,客户完全可以采用负电压关断,一般20Khz的开关频率以下,采用-4V关断,或者-3V(在200Khz以下频率),都是安全可靠的,不会影响器件长期栅安全工作区寿命。除了关断负电压,稍微比起IGBT小一点(较高频时,有一点点受限)以外,沟槽栅Cool SiC MOSFET基本上与IGBT和普通功率MOSFET兼容了。(英飞凌IGBT的Vgsth=5.8V,Cool SiC MOSFET的Vgsth=4.5V,Cool MOS CFD7的Vgsth=4V)。我们许多人从事多年的电力电子硬件电路,最后才发现:电力电子器件的Vgsth越大越好啊!在MOSFET的严酷的“共源噪声”环境下,施加-4V之类的负栅压Vgs,off,对于噪声电压来说是“杯水车薪”,只是稍微缓解一下问题,不能够本质上解决问题。此时,提高Vgsth阈值电压值,才是唯一正确的解决问题的器件之路。客户自己搭电路解决此问题,不是不行,而是难度极大,得不偿失。英飞凌的设计者有好几十年的功率MOS器件设计功力底蕴,他们在SiC MOSFET的研发设计中,一直站在制高点上所带来的巨大好处是:很快拉开与众多平面栅竞争者的差距。现在,许多知名厂家已经开始认识到英飞凌SiC MOSFET的巨大技术领先性,也在追赶跟随研发沟槽栅SiC MOSFET。碳化硅沟槽栅门槛很高,歧路众多(如图2所示),研发者寥寥,需要投入巨大的成本、相关经验等支撑才行。

Cool SiC MOSFET的短路时间为2-3us,足够快速过流保护响应时间了。其体二极管的续流可靠性大幅度提升,这是由于如图3中P+深井,将FWD部分与沟道部分立体分隔开来的缘故。

图3· 英飞凌沟槽栅Cool SiC MOSFET的结构剖面示意图(右图:沟槽栅;左图:平面栅对比)

目前,SiC MOSFET主要有3大类应用领域(如图5所示):开关频率100KHz以上的旨在减小体积增加效率的软开关电源类应用(PV inverter,OBC,DC/DC,快充桩等);10-20KHz电机类电动汽车逆变器的分立器件多并联系统应用(旨在提升效率5%~10%,增加电动汽车最看重的续航里程10%以上,避开16Khz以下的音频啸叫噪声),其他还有UPS等应用(包括单端1700V器件的开关电源应用,这一趋势最近比较流行火热)。

图4·英飞凌Cool SiC MOSFET与其另外2个Cool 器件品牌器件的综合性能对比

图5· 英飞凌Cool SiC MOSFET的功率-频率应用范围图

SiC MOSFET是单极性器件,只有电子工作,没有空穴辅助工作(SiC里的空穴迁移率也不高,不用也罢)。经过匠心独运的精心设计,我们可以得到一种完美的开关器件,把MOS控制开关的微妙与碳化硅材料的威力有机结合起来,将高效性能发挥到极致。器件上,英飞凌做到了,驱动上,英飞凌提供配套的最佳驱动隔离电路Eice Driver系列(磁隔离原创设计,包括所有各种保护辅助功能)。因为英飞凌的Cool SiC MOSFET开关速度较快,功率容量也不小,客户应用好SiC MOSFET也还是需要一定的PCB等噪声应对处理水平的。SiC MOSFET有一点点小脾气(主要是因为开关太快的缘故),需要软开关技术来“化解”,或者用“高级并联驱动技术”来应对处理。

在实验室里用双脉冲测试台可以初步评估测试CoolSiC MOSFET的开关性能的某些“局部”“相对静态”情况。简单地说:保持Vgs波形的安全完整性,不要叠加产生各种各样的尖刺噪声干扰,就是用好Cool SiC MOSFET的基本原则。此话听起来似乎很容易,用起来却发现“太难了!”。各种各样的“似乎以此无关的事情”纷至沓来,不请自来,莫名其妙,匪夷所思。SiC MOSFET的世界真的是与众不同。我们经常能够感受SiC MOSFET的“桀骜不驯,野性难驯”。想当年,IGBT也不太好用,但是还是属于比较“温良恭俭让”的类型。这就是有没有“空穴”的巨大差别。

与IGBT比较,SiC MOSFET没有那么好用,因为IGBT的经验不可直接套用,也没有那么便宜。性价比不如Cool MOS(但是Cool MOS没有1200V以上器件),如图4所示。

碳化硅MOSFET的性能优越,毋庸置疑。由于其芯片做的比较小,热阻一般稍大,所以经常是需要多个分立器件高频并联(模块虽然也有提供,但频率性能受限)。这一点技术门槛比较高,需要处理好“高频均流”~“高频振荡噪声”~“精简紧凑型驱动方案”等诸多技术难题。

在Cool SiC MOSFET驱动应用中,由于栅电场强度和频率限制,关断电压Vgs,off只能够选用比较小的负值电压,比如-3V,-4V,还需要配合比较优秀的驱动电路(比如EiceDriver)和高频布线。为了读者能够对于SiC MOSFET的主要厂家产品有一个综合性能对比,列出对比,如表1所示。结论:

  1. 英飞凌的Cool SiC MOSFET最大的竞争优势,就是Vgsth达到最高的4.5V。此值越高,本征抗噪声性能越好,应用越可靠。无论在硬开关还是软开关应用,这是决定性的。

  2. 采用英飞凌特殊结构的沟槽栅的Cool SiC MOSFET才能够将Vgsth做到4.5V值而同时保持Vgs,on还比较低(15~18V),平面栅SiC MOSFET的性能受限制较多,比较难以取得这方面的进展。

  3. 在高频高功率电力电子电路系统中,器件原厂关键参数(比如Vgsth)的提升是“上游的改良进步”,要比“下游的电路方面的改良进步”更加显得高效和简洁。

  4. Cool SiC MOSFET是一种比较理想的电力电子开关器件,需要从“应力、噪声、系统成本”的三重复合角度深刻理解它,才会把握并用好Cool SiC MOSFET。

  5. 英飞凌的Cool SiC MOSFET还在以下各方面表现精彩:自带快软高可靠寄生续流二极管,(英飞凌首发的)175C矩形RBSOA,软开关应用基本无需RC Snubber,与高温无关的关断损耗,完全可控的dv/dt,没有0.7V导通电压门槛值,等等。(Ver1.4b—-华伟)