寬帶隙 (WBG) 半導體器件，例如碳化硅 (SiC) 場效應晶體管 (FET)，以其最小的靜態(tài)和動態(tài)損耗而聞名。除了這些特性之外，該技術(shù)還可以承受高脈沖電流，在固態(tài)斷路器等應用中特別有優(yōu)勢。本文深入探討了 SiC FET 的特性，并與傳統(tǒng)硅解決方案進行了比較分析。
半導體開關(guān)功率損耗最小化的持續(xù)追求由 WBG 器件引領(lǐng)，而 SiC FET 占據(jù)了中心地位。這些器件由 SiC 結(jié)柵場效應晶體管 (JFET) 和共封裝的硅金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 構(gòu)成，作為常閉器件脫穎而出，具有用戶友好的柵極驅(qū)動器。它們令人印象深刻的“品質(zhì)因數(shù)”組合勝過競爭技術(shù)，特別是專注于單位芯片面積的導通電阻 (R DSxA)，該指標衡量了低靜態(tài)和動態(tài)功率損耗與成本效益的結(jié)合。盡管 SiC FET 的芯片尺寸較小，這意味著每個晶圓上的單元更多，器件電容更小，但 SiC FET 卻超出了預期，表現(xiàn)出更高的溫度耐受性和更高的峰值電流能力。讓我們來看看這些數(shù)字。
SiC FET 導通電阻性能
量化 SiC FET 的性能，以 Qorvo 的 750V 額定器件(TOLL 封裝中的部件 UJ4SC075005L8S)為例，其 R DS xA 值比第四代 SiC MOSFET 高 2.2 倍，并且在整個溫度范圍內(nèi)始終保持穩(wěn)定。實際上，該器件在 25°C 時導通電阻為 5.4 mΩ，在 125°C 時導通電阻為 9.2 mΩ，超過相同封裝中額定電壓為 600/650 V 的硅或 SiC-MOSFET 和氮化鎵高電子遷移率晶體管 (GaN HEMT) 4 到 10 倍。
為了利用這種超低電阻實現(xiàn)高額定電流，樣品 SiC FET 采用銀燒結(jié)芯片連接和先進的晶圓減薄技術(shù)，實現(xiàn)從結(jié)點到外殼 0.1 °C/W 的熱阻。此外，SiC 器件的最大結(jié)溫為 175 °C，這意味著單個器件在連接到簡單的 0.58 °C/W 散熱器時可以連續(xù)處理 80 A 電流，結(jié)溫為 175 °C，環(huán)境溫度為 85 °C。
SiC FET 峰值電流額定值
SiC 器件的最大結(jié)溫 (T J,Max ) 值及其額定電流基本上由所用的封裝決定。盡管 SiC 本身具有在超過 500°C 的溫度下安全運行的能力，但在共源共柵 SiC FET 的 JFET 中，最高溫度限制為 175°C。這一限制仍然允許 SiC FET 在從較低溫度啟動時處理明顯高于其連續(xù)額定值的瞬態(tài)峰值電流。特定芯片和封裝(例如上述 SiC FET 器件)的瞬態(tài)熱阻抗圖概述了這些特性，如圖1所示。
例如，單個 100 μs 脈沖會導致結(jié)溫瞬時升高，每瓦功耗約升高 0.015 °C。在約 10 ms 脈沖持續(xù)時間內(nèi)，從結(jié)到外殼的熱阻接近穩(wěn)態(tài)值。
圖 1和圖 2顯示了 SiC FET 器件樣本的實際意義。在每種情況下，器件外殼都焊接到 PCB 上的銅平面上，銅散熱孔直通背面鋁制散熱器，溫度保持在 50°C，由絕緣熱界面材料 (TIM) 隔開。圖 2 說明，從結(jié)到環(huán)境的熱阻可能為 >1.2 o C/W，而芯片和 TOLL 封裝決定了低于約 1 毫秒的瞬態(tài)熱響應。如圖 3 所示，在這種布置下，連續(xù)額定值為 89 A，而器件在達到 175°C 的 T J,Max之前，可以處理 500 μs 單脈沖高達 588 A 的峰值電流。
圖 1：采用 TOLL 封裝的 Qorvo SiC FET 器件在帶有熱通孔、TIM 和 Al 散熱器的 PCB 上組裝時，其瞬態(tài)熱阻抗模型
圖 2：Qorvo SiC FET 器件在 TJ,Max 為 175 °C 時的實際峰值電流能力
SiC FET 與 Si-MOSFET
雖然 SiC FET 表現(xiàn)出色，但一個關(guān)鍵問題出現(xiàn)了：它們與通常用于低功率固態(tài)斷路器的 Si-MOSFET 相比如何?電流平方時間 (I 2 t) 額定值是處理浪涌電流的設(shè)備的常用測量指標，它提供了令人信服的比較結(jié)果。樣品 SiC FET 可承受 588 A 電流，持續(xù)時間為 500 μs，而 Si-MOSFET 額定值約為 200 A，顯示出“I2t”相差 8.6 倍，如圖3所示。
圖 3：SiC FET 與 Si-MOSFET I2t 額定值的比較
高峰值電流額定值的額外優(yōu)勢
除了 SiC FET 在過載條件下提供的明顯安全裕度外，它還有其他優(yōu)勢。事實證明，SiC FET 非常適合具有電感負載的功率轉(zhuǎn)換電路，這種電路中預計會出現(xiàn)電壓過沖。這些器件具有強大的雪崩能力和 750V 額定電壓。此外，在人工智能 (AI)、機器學習 (ML) 和流媒體等數(shù)據(jù)密集型應用的推動下，服務器和類似應用中的板載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器越來越需要緊湊外形中的高峰值功率額定值。
這些轉(zhuǎn)換器的設(shè)計通常假設(shè)結(jié)溫會因峰值電流而接近其最大值。數(shù)字控制由傳感器和通過 PMBus? 的預測算法實現(xiàn)，可提供結(jié)溫反饋，指示負載根據(jù)需要“節(jié)流”，以防止開關(guān)結(jié)超過其絕對最大值。SiC FET 提供的充足裕度使人們對電源系統(tǒng)的可靠性和使用壽命充滿信心，從而可能減少對多個并聯(lián)設(shè)備的需求，并節(jié)省成本和電路板面積。
固態(tài)斷路器專為應對高故障電流而設(shè)計，可以使用 SiC FET 和 JFET，因為它們具有低壓降，可取代絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，尤其是在較低電流水平下。SiC FET 的峰值電流額定值增加了這些斷路器的堅固性，允許過流檢測電路在反應前加入更長的延遲。此屬性使斷路器更能抵御“干擾”觸發(fā)。
結(jié)論
峰值電流額定值為數(shù)百安培的緊湊型 SiC FET 成為需要高功率密度和峰值負載處理的現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換應用的理想元件。指標證實，這些元件的性能優(yōu)于同電壓等級的 GaN 和 Si 或 SiC-MOSFET 元件。
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