| 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。 |
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| 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。 |
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| 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。 |
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| 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）。 |
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| 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 |
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| 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。 |
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| 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） |