??????? 隨著諸多大功率電源應用越來越普及，傳統(tǒng)的硅MOSFET在應用中的限制越來越明顯，寬禁帶器件的使用變得越來越廣泛，其中，碳化硅MOSFET是非常典型的一種。這里，我們通過介紹碳化硅器件的固有優(yōu)勢，讓大家對碳化硅MOSFET有一個基本的認識，同時，也對碳化硅MOSFET的驅動上的特點進行一定的討論，以避免設計中的誤區(qū)。

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一．典型基本的概念的解釋

? ? ? ? 首先，了解一下什么是碳化硅？碳化硅是一種無機物，化學式為SiC,是用石英砂，石油焦（或煤焦），木屑等原料通過高溫冶煉而成，碳化硅在大自然中也存在罕見的礦物，如莫桑石。在各種非氧化物等高技術耐火材料中，碳化硅是應用最廣泛，最經(jīng)濟的一種，可以稱為金剛砂或者耐火砂。?中國工業(yè)生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm^2。。SiC顧名思義，是一種由硅（Si）和碳（C）組成的化合物材料，它屬于寬禁帶材料的一種，在物理上具有非常好的機械，化學，熱穩(wěn)定性。

? ? 其次，我們回顧一下什么是MOSFET? MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor) , 全稱是金屬氧化物半導體場效應晶體管，它具有三個極，源極S, 漏極D, 門級G, 如圖1，所示。其中源極和漏極是可以對調的，都是在P型襯底上形成的N型區(qū)域，兩個區(qū)對調也不會影響器件的性能，它屬于對稱器件，很長一段時間，MOSFET都是以Si硅為主要材料制作而成，在電力電子領域應用廣泛。

圖1 N溝道MOSFET的基本結構

? ? ? ? 和MOSFET相對應的是雙極性節(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，即BJT），也是一個具有三個極的電子器件，通過在控制極設置一個微小的電流變化，而在輸出極產生一個大的電流變化，所以，雙極性晶體管的電流增益就是輸出電流比上輸入電流。而場效應管（FET）是通過對控制極施加一個電壓變化而去控制輸出電流變化，所以其增益定義為輸出電流和輸入電壓之比，這是一個跨導概念。比較常見的是N溝道和P溝道的MOSFET, N溝道MOSFET相比P溝道MOSFET主要用于大電流場合。

???????從本質上講，MOSFET是通過門級的電場去控制漏極的電流，所以其驅動損耗非常小，所以應用領域比雙極性晶體管廣泛的多。

???????IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極性晶體管）是結合了MOSFET和BJT二者的優(yōu)點而制作的電壓型驅動功率器件，前者的驅動損耗小，后者的飽和壓降低，所以在高壓場合也比較適合600V以上的應用，但是其缺點是開關損耗大，所以限制了其在高開關頻率，小型化場合的應用。

???????近些年隨著工藝的發(fā)展，相比以前更容易獲取更大尺寸和高質量的碳化硅晶元，同時高溫晶體生長制成也越來越成熟，所以在碳化硅材料在電子器件中的應用越來越多。在多種晶體結構中，4H-SiC結構是最適合做電力電子器件的一種。純的碳化硅材料一般認為是絕緣體，而通過一定的參雜，將它變?yōu)榘雽w，通過合適的條件，如電壓控制，控制它成為一定條件下的導體。

圖2 典型的6英寸碳化硅晶元

??????? 以碳化硅為核心材料制作成的MOSFET，稱作碳化硅MOSFET,它相比傳統(tǒng)的Si MOSFET具有很多優(yōu)勢，接下來我們一一探討。

二.碳化硅MOSFET的典型優(yōu)勢特性

圖3寬禁帶材料及傳統(tǒng)硅材料特性對比

? ? ? ? 熱導率是一種材料耗散自己產生的熱量的能力，熱導率越大，越適合在高溫下使用，由于碳化硅材料禁帶寬度較大（能量隙帶是硅的3倍），熱穩(wěn)定性好，熱導率高（超過硅的3倍），所以，首先它非常適合在高達200C結溫的高溫下運行，而保持比較高的可靠性，這在硅MOSFET上是不現(xiàn)實的，所以，碳化硅MOSFET很適合在高溫，高壓，大功率電源場合應用，由于熱導率高，所以其散熱系統(tǒng)也更容易設計。

??????? 從上圖3數(shù)據(jù)上看，其擊穿場強是硅材料的大約10倍，這一點讓它非常適合做高耐壓器件，從650V到幾千伏的器件都非常容易。由于參雜濃度比較高，所以碳化硅MOSFET的漂移區(qū)比較薄，因此漂移區(qū)阻抗非常低，而相比同樣耐壓的硅MOSFET，碳化硅可以做到更小的Die的尺寸，或者說同樣大小的Die，可以做更小的導通阻抗，在理論上，一定高壓下，碳化硅的單位面積漂移區(qū)阻抗只有傳統(tǒng)硅的1/300.

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??????? 碳化硅MOSFET和傳統(tǒng)的硅MOSFET一樣，具有固有的寄生體二極管，但是碳化硅MOSFET的體二極管的特性非常好，尤其是反向恢復特性。眾所周知，在硅MOSFET的硬開關電源應用中，器件關斷時反向恢復時間Trr和反向恢復電流Irr比較大，在這個過程中勢必帶來較大的反向恢復損耗，所以一定條件下限制了高開關頻率的使用，并且讓系統(tǒng)EMI變得比較差。在碳化硅MOSFET中，這個問題就不存在了，由于良好的體二極管特性，其反向恢復時間Trr和電流Irr都變得幾乎忽略不計。如下圖4，是一個基于1000V的硅MOSFET和一個碳化硅MOSFET的反向恢復特性對比，可以看到，SiC的MOSFET反向恢復損耗很小，時間和電流也可以不略不計。

圖4 碳化硅和硅MOSFET的反向恢復特性比較

? ? ? ?對電源系統(tǒng)來說，由于碳化硅材料的特點，它使得碳化硅MOSFET具有較低的開關損耗，及導通損耗，非常方便通過高頻化提高系統(tǒng)的功率密度。具體來說，通過運行于更高的開關頻率，周邊無源器件如功率電感，變壓器，輸入電容和輸出電容等都會減小使用個數(shù)及體積，連同散熱系統(tǒng)也會減小體積。

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三.碳化硅MOSFET的基本驅動要求

??????? 首先需要考慮的是，用什么樣的電壓去驅動碳化硅MOSFET,這是非常重要的，一般來說，規(guī)格書會給出如下幾個指標，絕對最大門級電壓，額定門級電壓，門極電壓門限幾個參數(shù)。

? ? ? ?對于額定最大電壓，它是加在門級電壓的允許的最大值，在任何情況下都不能超過這個值，否則可能會損壞器件，這個規(guī)格主要是考慮有一些門級電壓尖峰或者噪聲，或者基于寄生參數(shù)及layout因素導致的一些門級瞬態(tài)電壓。此處我們以MSC015SMA070B4這個700V耐壓，15mohm導通阻抗的碳化硅MOSFET來說明一下，如圖5.所示。此處，我們可以看到這個器件允許的門級最大正電壓為23V,和最大負電壓為-10V.

????額定的門級電壓是推薦的正常工作時的門級電壓，我們同樣以MSC015SMA070B4這個器件為例，它推薦的正向驅動電壓是20V,當減小門級電壓后，其可以驅動的負載電流能力會減小，由圖6及圖7所示可知，其導通電阻和導通損耗也會相應增加。

? ? ? ??門級驅動電壓設置在20V,也可以對門級驅動電壓規(guī)格上限留出一定的裕量，以免門級氧化物被擊穿，或者影響其壽命。

圖5 碳化硅MOSFET門級電壓最大值參數(shù)

圖6 常溫下碳化硅MOSFET的正向驅動電壓和負載電流關系

圖7高溫下碳化硅MOSFET的正向驅動電壓和負載電流關系

? ? ? ? 除了正電壓驅動指標外，我們需要考慮的另一個指標是門級導通門限，VGS-th，這個指標對于碳化硅器件來說是比較低的，如圖8所示，這里看到MSC015SMA070B4的這個指標在常溫下是2V左右。

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圖8 典型碳化硅MOSFET的門級驅動電壓門限

圖9 典型碳化硅MOSFET的門級驅動電壓隨溫度變化曲線

? ? ? ? ?同時，門級導通門限這個指標，隨溫度變化又是負的趨勢，也就是說，溫度越高，其導通門限越低，這就讓密勒效應的后果在高溫下更容易產生誤開通的問題。

? ? ? ?事實上，在一般的單端拓撲或者非同步整流的拓撲中，由于不會造成上下管短路直通的效應，因此只需要正電壓驅動即可，可以用0V的電壓讓它關斷。而在大功率拓撲中，更為常見的是使用橋式電路拓撲，由于可能的上下管的直通問題，從而影響電路效率和可靠性，不得不作為一個重點考慮的問題，如圖10所示。

圖10 半橋電路拓撲單元結構

? ? ? ? 由于寄生電容CGD的存在，在關斷下管時，會由于寄生電容產生密勒效應，門級會有一定的電壓尖峰存在，一旦超過門級開通門限電壓VGS-th，就會再次開通，所以，為了避免下管在關斷時再次開通，一般建議這種場合中使用負電壓去穩(wěn)定關斷器件（也可以通過門級米勒鉗位驅動電路使用0V的驅動電壓）。MSC015SMA070B4，這里推薦-5V電壓，既能可靠關斷器件，又和負電壓規(guī)格保持較大的設計裕量。負電壓越大，容易產生更大的開關損耗。

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? ? ? ?根據(jù)上述門級驅動電壓的基本要求，我們可以得出一個合適的驅動電壓規(guī)格，但是，另一個需要注意的問題就是工程實踐中需要注意的容差問題，如果驅動電壓的精度太低，尤其是正向驅動電壓，它會對碳化硅器件的導通電阻Rdson及導通損耗產生較大的影響。一般的經(jīng)驗是，5%的驅動電壓變化，會在常溫下導致4%的導通阻抗變化，在高溫125C下導致2%的導通阻抗的變化，因此建議將驅動電壓控制在5%的精度范圍內。

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? ? ? ? 總結，本文通過回顧基本開關器件的概念，引出新型寬禁帶器件碳化硅MOSFET的優(yōu)勢，進而從基本規(guī)格上去分析其驅動電壓的基本要求，為后續(xù)理解碳化硅MOSFET的更為詳細的設計要求奠定一些基礎。