影響高速SiC MOSFET開關(guān)特性的因素有哪些？

1 引言

碳化硅（SiC）MOSFET支持功率電子電路以超快的開關(guān)速度和遠(yuǎn)超100V/ns和10A/ns的電壓和電流擺率下工作。SiC MOSFET還具有非常出色的導(dǎo)通特性和高溫特性。與傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體相比，SiC MOSFET具有非常低的器件工作損耗，可以實(shí)現(xiàn)高度緊湊且高效的功率轉(zhuǎn)換器解決方案[1]。
SiC MOSFET的開關(guān)性能不僅取決于器件本身的特性，在很大程度上還取決于器件的外部電路和工作條件。

SiC MOSFET的開關(guān)行為是十分復(fù)雜的話題。數(shù)據(jù)手冊中所提供的數(shù)值，往往只能表示器件在非常具體的測試環(huán)境中、在若干特定條件下的性能。而在實(shí)際的電源電路條件下，器件的真實(shí)性能取決于很多因素。

圖1：SiC MOSFET半橋電路簡圖。

優(yōu)化電源電路的設(shè)計(jì)和工作條件，可以顯著提高SiC MOSFET的開關(guān)性能。

本文將使用實(shí)測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)介紹SiC MOSFET開關(guān)行為的許多重要方面。本文將重點(diǎn)討論，在標(biāo)準(zhǔn)的半橋電路等硬開關(guān)工作條件下的快速開關(guān)分立式CoolSiC MOSFET（見圖1）。

2 開關(guān)行為和損耗

開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗是導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體器件焦耳熱的兩大因素。盡管SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗主要取決于器件本身的特性和工作條件（例如，柵極電壓、負(fù)載電流和器件溫度），但開關(guān)損耗有著更加明顯也更加復(fù)雜的特性。

影響器件總開關(guān)損耗主要有三個(gè)因素：開通能量EON、關(guān)斷能量Eoff和反向恢復(fù)能量Erec。其占比通常取決于器件的特性、操作條件和外部電路。除此之外，在開關(guān)過程中，還可能會(huì)出現(xiàn)其它的損耗，例如由寄生導(dǎo)通引起的損耗[2]。

影響開關(guān)損耗的器件特性包括芯片技術(shù)、芯片尺寸、封裝類型和內(nèi)部柵極電阻（Rint）。對開關(guān)損耗影響最大的工作條件為：芯片結(jié)溫、直流母線電壓、柵極電壓和負(fù)載電流。我們將首先探討它們之間的關(guān)系及其對開關(guān)行為的影響，然后，在下一節(jié)探討封裝和外部電路的影響。

2.1 MOSFET關(guān)斷

在關(guān)斷過程中，MOSFET輸出電容被充電，于是阻斷了整個(gè)直流母線電壓，隨后，續(xù)流器件的體二極管接管負(fù)載電流。MOSFET的關(guān)斷特性對溫度的依賴性非常微弱，但由于半導(dǎo)體具有非線性C-V特性，因此，其關(guān)斷特性對工作電壓依賴性比較明顯。

在開關(guān)速度和負(fù)載電流方面，有一些重要的方面需要考慮。在中低電流時(shí)，關(guān)斷特性主要受負(fù)載電流影響，柵極電阻的影響不大。這是因?yàn)樵诿桌针A段，當(dāng)器件的輸出電容Coss被低恒定電流充電時(shí)，較低的Rg,ext并不能加快充電速度。這就解釋了為何在低Rg,ext值時(shí)，低電流的開關(guān)瞬態(tài)相對較慢。

圖2：T=25°C時(shí)，不同電流和柵極電阻的關(guān)斷波形對比。

圖3：T=25°C時(shí)，在不同電流和柵極電阻下，測得的關(guān)斷能量的對比。

圖2和圖3突出顯示了這種效應(yīng)，圖中顯示了一個(gè)采用TO247-4封裝的1200V、20mΩ CoolSiC SiC MOSFET的關(guān)斷行為。在圖2中，vds和id的開關(guān)波形在5A負(fù)載電流下幾乎相同（雖然柵極電阻存在差異）；但在50A的高電流下，情況就不一樣了。

圖3顯示了，在低電流下，關(guān)斷能量Eoff在很大的柵極電阻范圍內(nèi)保持恒定。其最小能量取決于為輸出電容充電所需的能量Eoss。它可能是硬開關(guān)電路中最低的Eoff。Eoff的Eoss部分存儲(chǔ)在Coss中，并在器件再次導(dǎo)通時(shí)，以熱量的形式耗散。雖然，嚴(yán)格意義上來講，這種耗散是在導(dǎo)通時(shí)發(fā)生的，但它被視為關(guān)斷損耗。在較高的電流和/或較慢的開關(guān)中，來自換流過程的額外能量貢獻(xiàn)也被包含在Eoff中（不含Eoss）。這些是在實(shí)際的關(guān)斷過程中耗散的。

圖4：不同電流和溫度下的導(dǎo)通波形對比（均為Rg,ext =2.2Ω）。

圖5：T=25°C時(shí)，在不同電流和柵極電阻下，測得的導(dǎo)通能量的對比。

2.2 體二極管關(guān)斷

體二極管的關(guān)斷過程，也稱反向恢復(fù)，是SiC MOSFET開關(guān)行為的一個(gè)重要組成部分。

二極管反向恢復(fù)，描述了從器件的漂移區(qū)去除存儲(chǔ)的雙極等離子體電荷的過程。SiC MOSFET的體二極管具有獨(dú)一無二的特性，這使得它的反向恢復(fù)行為與IGBT電路中的硅二極管大不相同。SiC MOSFET體二極管中存儲(chǔ)的雙極電荷，顯示出對溫度和電流的明顯依賴。

在低電流或低溫下，雙極電荷非常小。從開關(guān)的角度來看，體二極管在這些條件下的行為，與單極肖特基二極管相似。

然而，隨著溫度的上升和電流的增加，體二極管存儲(chǔ)的雙極電荷越來越多，并表現(xiàn)出更多的雙極開關(guān)特性。

體二極管的反向恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生焦耳熱。這需要在計(jì)算器件的整體損耗時(shí)，加以考慮。除此之外，二極管反向恢復(fù)會(huì)嚴(yán)重影響MOSFET的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換，包括MOSFET導(dǎo)通損耗（見3.2）。

2.3 MOSFET開通

開通瞬態(tài)過程不僅取決于主動(dòng)導(dǎo)通的MOSFET的器件特性，而且還在很大程度上，取決于其被動(dòng)續(xù)流器件。瞬態(tài)波形和開關(guān)能量各不相同，具體取決于續(xù)流器件是肖特基二極管還是其他SiC MOSFET。如果是MOSFET，續(xù)流器件輸出電容的充電過程及其體二極管反向恢復(fù)發(fā)揮著重要作用。

在關(guān)斷期間，Coss由恒定的負(fù)載電流充電；在開通期間，Coss由恒定的電壓源（即直流鏈路電容器）充電。當(dāng)MOSFET快速開關(guān)時(shí)，哪怕是非常小的負(fù)載電流，上述這種差異也會(huì)導(dǎo)致典型的反向電流浪涌（見圖4）。開通過程的速度完全由有源開關(guān)MOSFET控制。由于開關(guān)速度受電流、電壓、溫度和柵極電阻的影響，因此，開通能量對這些參數(shù)表現(xiàn)出了明顯的依賴性（見圖5和圖6）。

與關(guān)斷期間不同，開通期間的開關(guān)能量受溫度影響很大。雖然MOSFET的I-V特性確實(shí)有一定的溫度依賴性，會(huì)影響開關(guān)能量，但總體影響很小。對開通溫度依賴性的主要貢獻(xiàn)，要數(shù)體二極管的反向恢復(fù)，以及在開通期間，存儲(chǔ)在二極管中的雙極電荷量。

圖7突出顯示了，溫度對有源開關(guān)SiC MOSFET導(dǎo)通行為的影響。在實(shí)驗(yàn)中，將主動(dòng)和被動(dòng)（低邊和高邊）器件安裝在不同的加熱板上，分別控制其溫度。圖7表明，無源器件（體二極管）的溫度對有源開關(guān)的開關(guān)行為有很大影響，而有源開關(guān)的溫度影響很小。原因在于反向恢復(fù)期間的電荷流動(dòng)，這會(huì)影響體二極管和有源開關(guān)MOSFET。

電路設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓，來減輕雙極電荷的影響，并降低開關(guān)損耗[3]。另外，縮短死區(qū)時(shí)間也能提升性能（見3.2）。

圖6：在不同的直流母線電壓下，T=25°C時(shí)，快速導(dǎo)通和關(guān)斷能量的對比。

圖7：在不同溫度下，有源和無源開關(guān)的快速導(dǎo)通。

3 外部電路的影響

在快速開關(guān)應(yīng)用中，外部電路對器件的性能有著巨大的影響。許多論文都討論了功率半導(dǎo)體的外部影響[4]-[6]，卻往往低估了外部電路對快速開關(guān)SiC MOSFET性能的影響。其主要影響包括但不限于，外部柵極電阻（Rg,ext）、換向回路雜散電感Lσ、柵極阻抗、柵極驅(qū)動(dòng)器擺率和死區(qū)時(shí)間[3]、[7]。

3.1 換流回路雜散電感

通過降低Rg,ext來加快開關(guān)速度，可以降低開關(guān)損耗。但在實(shí)踐中，Rg,ext的最低值是受限的。對于半導(dǎo)體，此下限由其器件的最大額定值規(guī)定。與電路中的寄生雜散電感一起，快速瞬變會(huì)導(dǎo)致高過沖電壓超過器件的允許額定值。因此，應(yīng)當(dāng)將Rg,ext設(shè)定在這些額定值的范圍內(nèi)[8]。

在電源電路中的寄生元素中，換向回路雜散電感Lσ對器件的電壓過沖的影響，可以說是最大的。這種雜散電感包括，主換流回路內(nèi)所有部分電感（封裝和外部電路）。

對于SiC MOSFET，在最大工作溫度和電流下，體二極管關(guān)斷期間，器件電壓通常是設(shè)計(jì)電源電路的最關(guān)鍵的條件。在此期間，大量的雙極電荷存儲(chǔ)在體二極管中，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。制約電流變化的大雜散電感，會(huì)導(dǎo)致體二極管的dv/dt很高，以及導(dǎo)致電場迅速掃除漂移區(qū)中的自由載流子。如果在器件電流自然降低到零之前，發(fā)生這種情況，那么，剩余的器件電流可能會(huì)在高di/dt下瞬變，并導(dǎo)致器件出現(xiàn)不希望的過沖電壓。

如圖8a所示，當(dāng)SiC MOSFET在具有高雜散電感的電源電路中，以非常快的開關(guān)速度運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種跳變（snap-off）效應(yīng)。除了高損耗和過沖電壓外，高雜散電感還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中其他元件的電磁干擾問題。MOSFET關(guān)斷時(shí)的過沖電壓，通常并不那么重要（對比圖8b）。
因此，精心設(shè)計(jì)的低電感電源電路是實(shí)現(xiàn)干凈、快速開關(guān)瞬態(tài)和低開關(guān)能量的關(guān)鍵。

（a）體二極管關(guān)斷

（b）MOSFET關(guān)斷

圖8：T=150°C時(shí)，不同換向回路雜散電感Lσ的快速關(guān)斷行為比較。

3.2 死區(qū)時(shí)間

在圖1所示的典型半橋或全橋配置中，SiC MOSFET的體二極管僅在死區(qū)時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電流。體二極管只能在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，在其漂移區(qū)建立雙極等離子體。該建立過程需要一定的時(shí)間，來建立穩(wěn)態(tài)等離子體條件。這可能需要幾百納秒，甚至更長的時(shí)間，具體取決于器件的技術(shù)和電壓等級(jí)。如果死區(qū)時(shí)間較短（小于在漂移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)等離子體濃度所需的時(shí)間），則二極管關(guān)斷時(shí)，必須去除的電荷較少[3]、[7]。

在需要體二極管換向的應(yīng)用（即橋式拓?fù)洌┲?，縮短死區(qū)時(shí)間，是提升SiC MOSFET性能的有效方式。由于體二極管的雙極電荷會(huì)增加有源開關(guān)和無源開關(guān)的損耗（Eon和Erec），因此，縮短死區(qū)時(shí)間，從而減少雙極電荷，也可以減少這兩類開關(guān)損耗。如第2.3節(jié)所述，Eon顯著的溫度依賴性主要是因?yàn)轶w二極管的雙極電荷。如果將死區(qū)時(shí)間設(shè)置為足夠短的間隔，那么，就可以盡早停止等離子體的產(chǎn)生，從而有效地消除對開關(guān)行為的影響。

（a）導(dǎo)通

（b）反向恢復(fù)

圖9：iLoad=50A時(shí)，死區(qū)時(shí)間的縮短對開關(guān)能量的影響。

圖10：死區(qū)時(shí)間和溫度對導(dǎo)通波形的影響。

圖9顯示了死區(qū)時(shí)間、導(dǎo)通能量和反向恢復(fù)能量之間的關(guān)系。在本測量中，實(shí)際的死區(qū)時(shí)間是通過測量兩個(gè)柵極電壓而確定的。

從圖9可以看到，在高溫時(shí)，短死區(qū)時(shí)間對開關(guān)能量的影響特別有效；在低溫下，等離子體密度較低時(shí)，死區(qū)時(shí)間的影響有限。如果死區(qū)時(shí)間設(shè)置得太短，由于兩個(gè)開關(guān)的同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間非常短，開關(guān)能量可能會(huì)再次增加。因此，必須根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)器和控制器的特性，適當(dāng)調(diào)整死區(qū)時(shí)間。

由圖10可見，在175°C時(shí)，MOSFET導(dǎo)通波形幾乎等于25°C時(shí)的波形，這是因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間較短時(shí)，缺乏雙極等離子體。在這種特殊的情況下，SiC MOSFET的體二極管的行為與肖特基二極管類似。低等離子體密度對其開關(guān)行為幾乎沒有影響。

4 封裝的影響

器件封裝對SiC MOSFET的開關(guān)性能有很大影響。與較大的模塊相比，小型分立式封裝通常具有低雜散電感和低Lσ*Inom的特點(diǎn)，適用于在高開關(guān)頻率下工作的電路。由于尺寸緊湊，它們還為電路設(shè)計(jì)人員帶來了更大的靈活性。然而，在以高速電路為目標(biāo)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須將某些封裝特性牢記于心。

4.1 4引腳與3引腳

傳統(tǒng)上，單開關(guān)分立式功率半導(dǎo)體具有漏極、柵極和源極三個(gè)電氣連接引腳。隨著快速開關(guān)器件的出現(xiàn)，具有4個(gè)引腳的器件（其中一個(gè)為驅(qū)動(dòng)器提供額外的連接，即所謂的開爾文源）變得越來越普遍。盡管在物理上相似，但實(shí)際上，3引腳和4引腳封裝的SiC MOSFET在開關(guān)性能方面，有著顯著的差異。第4個(gè)引腳的真正優(yōu)勢，特別是在快速開關(guān)應(yīng)用中的優(yōu)勢，往往被低估了。

圖11：4引腳和3引腳型號(hào)的TO247封裝

圖12：T=25°C和50A時(shí)，4引腳和3引腳TO247封裝在快速導(dǎo)通時(shí)的對比

圖11對比了3引腳TO247封裝和4引腳TO247封裝的示意圖。其中，3引腳TO247封裝是標(biāo)準(zhǔn)的通孔封裝，適用于功率半導(dǎo)體，具有悠久的歷史，在行業(yè)中廣為使用。它有一個(gè)源極引腳，由負(fù)載電路和柵極驅(qū)動(dòng)電路共用。該引腳為MOSFET提供公共源極電感Ls，用作負(fù)載電路和柵極電路之間的反饋回路。

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化3引腳TO247封裝因其引腳長度和引腳結(jié)構(gòu)（柵極-漏極-源極）（其中，柵極和源極引腳之間的距離最遠(yuǎn)）直接導(dǎo)致反饋電感相對較大。引腳是基于過去的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配置的，遺憾的是，這導(dǎo)致柵極和源極引腳之間產(chǎn)生了一個(gè)高電感回路。它還導(dǎo)致3引腳器件在引腳插入印刷電路板（PCB）的深度方面，非常敏感。器件封裝和PCB之間的距離稍有增加，就會(huì)明顯增加反饋電感。

另一方面，4引腳TO247封裝有兩個(gè)帶有獨(dú)立鍵合線的源極引腳，一個(gè)用于柵極驅(qū)動(dòng)電路，另一個(gè)用于負(fù)載電路。它還提供了更有利的引腳配置，電感環(huán)路的面積更?。郝O-源極-源極-柵極。因此，4引腳TO247封裝在負(fù)載和柵極電路之間幾乎沒有反饋。

3引腳TO247封裝的柵極反饋與頻率有關(guān)，因此，它對開關(guān)的影響程度，取決于實(shí)際的開關(guān)速度。當(dāng)使用較大的Rg,ext慢速開關(guān)，或者當(dāng)功率半導(dǎo)體的開關(guān)速度本來就很慢時(shí)，柵極反饋的影響可能不明顯。但對于SiC MOSFET的快速開關(guān)瞬態(tài)而言，這種影響非常明顯。Ls中的感應(yīng)電壓抵消了柵極驅(qū)動(dòng)電壓，從而有效地減緩了開關(guān)過程，并增加了開關(guān)損耗。

圖12在相同的設(shè)置和開關(guān)條件下，比較了相同芯片的4引腳TO247和3引腳TO247 SiC MOSFET封裝，強(qiáng)調(diào)了柵極反饋的影響。由圖可知，即使在非常低的Rg,ext下，3引腳封裝的強(qiáng)大柵極反饋也會(huì)防止快速開關(guān)。在較高電流時(shí)，其反饋電感的影響通常比在較低電流時(shí)更強(qiáng)。

值得注意的是，當(dāng)Lσ過高時(shí)，vds中高過沖電壓會(huì)限制4引腳器件的開關(guān)速度，而3引腳器件可能不會(huì)出現(xiàn)這種情況。后者不能、也不適合非常快速的開關(guān)。不過，它們適用于不需要快速開關(guān)的應(yīng)用。

5 總結(jié)與結(jié)論

快速SiC MOSFET的開關(guān)行為是設(shè)計(jì)高效的功率轉(zhuǎn)換器電路的一個(gè)重要因素。雖然導(dǎo)通損耗（由器件特性和工作條件決定）幾乎沒有提升性能的潛力，但實(shí)際上，可以通過優(yōu)化電路，來降低開關(guān)損耗?？紤]到工作條件和外部電路對開關(guān)行為的影響，電路設(shè)計(jì)人員有很大的空間，來改進(jìn)性能。

本文探討了電流、電壓、溫度和柵極電阻對開關(guān)損耗Eon、Eoff和Erec的各種依賴性，以及外部電路的影響。對于快速開關(guān)SiC MOSFET，在高溫和大電流下，體二極管關(guān)斷期間的電壓過沖，通常是提高開關(guān)速度的限制因素。經(jīng)過優(yōu)化的低電感電路設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)和更低的損耗。

死區(qū)時(shí)間對SiC MOSFET的開關(guān)行為有明顯的影響。較短的死區(qū)時(shí)間減少了反向恢復(fù)期間必須去除的雙極電荷，從而減少了導(dǎo)通損耗和恢復(fù)損耗。此外，它還降低了二極管關(guān)斷時(shí)的電壓過沖，為更快速的開關(guān)，提供了更大的空間。在非常短的死區(qū)時(shí)間td<100ns下，開關(guān)行為和損耗幾乎與溫度無關(guān)。

器件封裝會(huì)對開關(guān)性能產(chǎn)生重大影響。分立式3引腳封裝沒有單獨(dú)的引腳來連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器，由于其共源電感較大，表現(xiàn)出了非常強(qiáng)的柵極反饋。這種柵極反饋導(dǎo)致其不適用于快速開關(guān)應(yīng)用。3引腳器件的開關(guān)損耗明顯高于4引腳器件。3引腳器件的開關(guān)性能受到器件封裝的限制，4引腳器件則受到外部電路或芯片本身特性的限制。面對快速開關(guān)應(yīng)用，采用具備兩個(gè)獨(dú)立源極引腳的封裝的SiC MOSFET器件是首選。