上(shang)一篇我們(men)介(jie)紹了英飛凌(ling)CoolSiC™ MOSFET G2的(de)產(chan)品特性(xing)。那么在實際應用中，G2如何(he)進行正確的選(xuan)型呢？接下來兩篇文章會和(he)大家仔細探討這個問題(ti)。今天的文章將會主要(yao)聚集在G2的導通特性(xing)上。
在(zai)MOSFET設計選型(xing)過程(cheng)中(zhong)，工程(cheng)師(shi)往(wang)往(wang)會以MOSFET常溫下(xia)漏源極導通電阻RDS(on)作為第一(yi)評價要素(su)。RDS(on)往往會(hui)體現(xian)在產品型號中，比如IMZA120R040M1H中的040，代表的就是(shi)結溫25℃條件下(xia)，Vgs在18V時器件的RDS(on)約(yue)為40mΩ。
從上面的(de)參(can)數表也可(ke)以看出，RDS(on)是一個正溫度(du)系(xi)數的(de)參數，對于IMZA120R040M1H來說，Tvj=175℃下(xia)的(de)RDS(on)，幾乎(hu)等于常(chang)溫下的兩倍。
再來(lai)看G2 34mΩIMZC120R034M2H的參數(shu)表(biao)，Tvj=175℃下的(de)RDS(on)，約等(deng)于常溫下的2.3倍。
可以看出G2 RDS(on)的溫度(du)系(xi)數是(shi)要大于Gen1的。盡管在(zai)常(chang)溫下，IMZC120R034M2H RDS(on)=34mΩ，低于IMZA120R040M1H的39mΩ，但(dan)是(shi)在(zai)175℃時，IMZC120R034M2H RDS(on)達到了(le)80mΩ，略高于IMZA120R040M1H的77mΩ。
SiC MOSFET常工作在高溫下，高溫下更高的RDS(on)會導致更(geng)高(gao)的導通損耗。那(nei)么(me)為(wei)什(shen)么(me)CoolSiC™ G2要設計(ji)這么(me)明(ming)顯(xian)的RDS(on)溫度(du)系數？這不是(shi)與功(gong)率(lv)器件低損耗、高(gao)功(gong)率(lv)的發展方向背(bei)道而馳？
要(yao)回(hui)答這個問題，我們要(yao)先弄明(ming)白SiC MOSFET RDS(on)溫度特性背后的機理。
SiC MOSFEST總導通電阻(zu)RDS(on)主要有三部分組成(cheng)：溝(gou)道電阻Rchannel，JFET電阻(zu)RJFET和(he)漂移區電阻Rdrift。
在這(zhe)三部分電(dian)阻中，溝道電(dian)阻Rchannel具有負(fu)溫(wen)度系(xi)數，即隨(sui)溫(wen)度上升(sheng)，電阻反而下降(jiang)。而RJFET和Rdrift則具有正溫度系數，即(ji)電阻隨溫度上(shang)升而上(shang)升。那么總(zong)導通電阻RDS(on)的溫度系數(shu)就由這三部(bu)分的比(bi)例決定。
如(ru)果(guo)溝道電阻Rchannel占比(bi)高，那么(me)它的負溫(wen)度(du)系數(shu)會(hui)很大(da)程(cheng)度(du)上抵消(xiao)掉RJFET和Rdrift的正溫度系數，使(shi)得總RDS(on)的溫度曲線(xian)比(bi)較平坦，對外表(biao)現(xian)為高溫下RDS(on)相比(bi)常(chang)溫下數值變化(hua)很(hen)小。反之，Rchannel占比(bi)低(di)的(de)話，總RDS(on)的溫(wen)度曲線就會(hui)很陡峭，高溫(wen)下(xia)RDS(on)增加明顯。
CoolSiC™ MOSFET是溝槽柵器件，從Gen1開始，溝道電阻Rchannel占比就很低，總RDS(on)的(de)溫度(du)系(xi)數就由正(zheng)溫度(du)系(xi)數的(de)JFET電(dian)阻(zu)(zu)+漂移區電(dian)阻(zu)(zu)決定。而平面柵(zha)器件因為溝道(dao)電(dian)阻(zu)(zu)占比(bi)高(gao)，其負(fu)溫度(du)系(xi)數補(bu)償了JFET電(dian)阻(zu)(zu)+漂移區電(dian)阻(zu)(zu)的(de)正(zheng)溫度(du)系(xi)數，所以總RDS(on)的(de)溫(wen)度系數比(bi)溝槽柵的(de)CoolSiC™更(geng)低(di)。
而CoolSiC™ G2溫度特性比(bi)G2更明顯。這都是由(you)于CoolSiC™產品(pin)一直在不(bu)停的優化溝道(dao)質量，使得Rchannel在總電(dian)阻鏈路中的占(zhan)比越來越低(di)所致。
為什(shen)么英飛凌在執著的降低(di)溝道電阻？做這件(jian)事又有什么好處？
SiC和Si材(cai)料有很(hen)大(da)不同，在(zai)(zai)形(xing)成溝(gou)道(dao)時(shi)，會產生很(hen)多氧(yang)化層界面(mian)陷阱和界面(mian)態密(mi)度。這些界面(mian)態密(mi)度會捕(bu)獲電(dian)(dian)子，阻礙電(dian)(dian)子流(liu)動，增加(jia)溝(gou)道(dao)電(dian)(dian)阻。高(gao)溫(wen)(wen)時(shi)，被捕(bu)獲的電(dian)(dian)子獲得能量(liang)又被釋放，所以(yi)溝(gou)道(dao)電(dian)(dian)阻在(zai)(zai)高(gao)溫(wen)(wen)下反而降低(di)，呈現負溫(wen)(wen)度系數。
SiC MOSFET中的(de)(de)(de)溝(gou)道(dao)柵氧化層界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量是(shi)SiC發展的(de)(de)(de)巨(ju)大挑戰(zhan)。不(bu)過有(you)挑戰(zhan)就有(you)機(ji)遇，機(ji)遇就是(shi)SiC是(shi)各向(xiang)異性晶(jing)(jing)體，在不(bu)同(tong)晶(jing)(jing)面(mian)(mian)上(shang)形(xing)成的(de)(de)(de)溝(gou)道(dao)質(zhi)(zhi)量是(shi)不(bu)一(yi)樣的(de)(de)(de)，垂直晶(jing)(jing)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)態密(mi)度和氧化層陷(xian)阱要低于水平晶(jing)(jing)面(mian)(mian)。英(ying)飛(fei)凌選擇(ze)了一(yi)個特殊的(de)(de)(de)[1120]晶(jing)(jing)面(mian)(mian)，它與垂直晶(jing)(jing)面(mian)(mian)有(you)一(yi)個4℃的(de)(de)(de)夾角(jiao)，這個晶(jing)(jing)面(mian)(mian)能(neng)保持最(zui)低的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)態密(mi)度和氧化層陷(xian)阱，從而保證最(zui)高的(de)(de)(de)溝(gou)道(dao)電子遷(qian)移率，以及(ji)最(zui)低的(de)(de)(de)溝(gou)道(dao)電阻。同(tong)時(shi)，溝(gou)道(dao)電阻的(de)(de)(de)負溫度系(xi)數也(ye)(ye)不(bu)明(ming)顯，可以理解為常溫下被捕(bu)獲的(de)(de)(de)電子少，高溫下被釋(shi)放的(de)(de)(de)電子也(ye)(ye)變少了。
通過采用(yong)(yong)降低柵(zha)氧化(hua)層(ceng)界(jie)面(mian)的(de)界(jie)面(mian)態密度(du)和氧化(hua)層(ceng)陷阱，可(ke)以提高(gao)溝道電子遷移率，允許(xu)使用(yong)(yong)更厚的(de)柵(zha)氧化(hua)層(ceng)，柵(zha)極氧化(hua)層(ceng)的(de)可(ke)靠性隨氧化(hua)層(ceng)厚度(du)的(de)增加而呈指(zhi)數級提高(gao)。從下圖中(zhong)可(ke)(ke)以看到，英飛(fei)凌溝(gou)槽柵(zha)CoolSiC™所使用(yong)的柵(zha)氧(yang)化(hua)層厚度，遠高(gao)于平面柵(zha)，從而(er)保證器件的長(chang)期可(ke)(ke)靠(kao)性與穩定性。
對于SiC MOSFET的(de)設計(ji)發展而言，總體趨勢都是(shi)在想方設法改進溝道質量(liang)，降低溝道電阻(zu), 未來的(de)RDS(on)溫度系數勢必會(hui)更加明顯(xian)。
總(zong)結(jie)
綜上(shang)所(suo)述(shu)，對(dui)CoolSiC™ G2進行選型時，尤(you)其(qi)是對(dui)原有項目(mu)做替代時，不(bu)能簡單的按照RDS(on)的(de)數值進行一(yi)比(bi)一(yi)替換，開關損耗也是重要的(de)考量(liang)因素，要實際(ji)考慮應用場景、電(dian)路拓撲、開關頻率、散(san)熱環境等(deng)綜合(he)條件(jian)。下一(yi)篇文章(zhang)我(wo)們將會分析在軟開關和硬開關兩種場景下，分別應該如何選(xuan)型(xing)。