mosfet和igbt的區別「mosfet工作原理介紹」

從美國早期的「民兵導彈」計劃，以及「硅谷八叛將」思索更有效的辦公室空氣過濾能否提高工作效率開始，半導體行業經歷了漫長的發展過程。近幾年來，半導體更是極大地推動了能源的高效轉換。

作者：安富利工程師Thomas Hauer

在這一趨勢下，導通電阻（RDSON ）值在低mΩ範圍內的硅MOSFET已成為常見的低壓器件，但MOSFET的阻斷電壓越高，RDSON 值就越高。由於具有如此高的RDSON ，MOSFET器件仍然不適合高壓和大功率應用。在這類應用中，只能使用IGBT器件。後來證明，碳化硅（SiC）可以用於製造MOSFET器件，使電路的效率比以往使用IGBT時更高。最近，SiC引起了廣泛關注，這不僅是因為它的特性，還因為該器件與IGBT相比，價格更具競爭力。另一方面，半導體製造商還在系統層面採取了長期投資的策略，以保證碳化硅MOSFET的供應。毫無疑問，意法半導體是首屈一指的碳化硅器件供應商。過去幾年，意法半導體在研發方面投入巨大，面向市場推出了非常全面的產品組合。此外，該公司還在材料供應方面進行了大量投資，所採取的一系列戰略舉措包括：2019年，意法半導體完成了對瑞典碳化硅晶圓製造商Norstel AB的收購，並與科銳（Cree）簽署了多年供貨協議；後來在2020年初，與羅姆集團旗下的SiCrystal簽署了碳化硅晶圓長期供應協議。這種策略對於意法半導體而言，非常有效。因而，該公司成為了快速增長的SiC市場的領頭羊。下面，我們將針對SiC器件進行一些具體的討論。

碳化硅，一種不怎麼新的材料

史上最早記載的關於SiC材料的實驗發生在1849年左右，當時這種材料已被廣泛用於製作防彈衣或者磨料。IGBT的發明者之一在1993年的文獻[1]中討論了與硅(Si)器件相比，不同SiC材料所具有的優越性能。表1顯示了在文獻[1]和[2]中討論過的不同材料的數值，這些數值讓我們看到了SiC材料有趣的一面。當摻雜濃度為4:8x1016cm-3時，SiC的擊穿電場強度Ec 比Si高一個數量級。較高的飽和漂移速度 vSAT 以及較高的帶隙電壓Eg也很突出。一個有趣的數據是熱導率。SiC材料在這方面的性能是Si的兩倍以上，這給封裝和封裝密度以及電流處理能力創造了新的可能性。但是，該文獻[1]的發佈是在1993年，而SiC在市場上越來越受歡迎也就是最近幾年的事情。這說明在SiC的應用之路上必然存在着一些障礙，是必須要解決的，比如合適的碳化硅大塊單晶生長工藝。對於Si，採用Czochralski法生長大塊單晶的工藝已經非常完善，也很容易被人們理解。這種硅大塊單晶的生長速度是每小時幾米。但是，此種方法並不適用於SiC大塊單晶的生長。生長SiC晶體，必須採用物理氣相傳輸（PVT）法。在坩堝的頂部放置籽晶，在底部放置SiC原材料，將坩堝加熱至2000-2500℃左右。高溫會使坩堝底部的粉料升華，在籽晶表面沉澱結晶，形成碳化硅晶體。遺憾的是，該方法沒有採用Czochralski法生長單晶的速度快，最終SiC大塊單晶的生長速度只有每小時幾毫米，這比硅的生長速度慢很多。而且，該工藝目前尚不成熟，材料內部存在相對較高的缺陷密度，文獻[2]中對此有詳細描述。

表1：Si與6H-SiC、4H-SiC以及GaN的對比

表1中還列出了GaN的材料特性。目前，這種材料及其產品也在市場上引起了一些轟動，但是它的吸引力暫時還沒有SiC那麼大，主要用於600Vin左右以及600Vin以下的高頻器件。這類產品肯定有用武之地，但在撰寫這篇文章時，GaN的產品種類還沒有SiC的產品種類那麼多，半導體廠商對SiC的關注度也比對GaN的關注度高。因為SiC的製造工藝有很多地方都與Si非常相似，並且許多機器設備都可以同時用於這兩種材料的生產，這顯示是一種優勢。

器件特性及其柵極驅動

我們已經詳細介紹了SiC材料的特性，並了解到在高能應用中，它的性能比Si更優越。下面我們將進一步研究器件和應用。如上文所述，意法半導體是SiC市場的領導者之一。圖1展示了意法半導體的產品組合。

圖1：在意法半導體的產品組合中，SiC 功率MOSFET的產品布局，STPOWER

從產品的工作電壓範圍來看，SiC MOSFET與Si MOSFET的工作電壓範圍有重合，同時它們與IGBT的工作電壓範圍也有重合。在較低的電壓範圍內，Si MOSFET的性能與SiC器件非常接近，但SiC器件具有較低的柵極電荷和更好的熱性能。在另一端的是IGBT器件，由於SiC MOSFET擁有低RDSon，其表現明顯要優於IGBT, 更不用說它們還具有較低的柵極電荷了。

如何驅動SiC MOSFET

鑒於其優越的材料特性，我們需要思考如何控制這些器件以使其達到最佳工作狀態。我們所知道的是，Si MOSFET需要一個正的柵極電壓，建議該電壓在12V左右甚至更低，負柵極電壓應是接地電位。IGBT的柵極驅動電壓不對稱，即正柵極電壓為15V左右，負柵極電壓為-5V左右。

圖2：SCT30N120輸出特性（Tj = 25 °C）

SiC MOSFET基本上可以在Si MOSFET或IGBT的電壓等級下工作，但這不是最佳參數。理想情況下，SiC MOSFET需要的柵極電壓是20V，以便在最小RDSon值下接通開關。當用0V電壓關斷SiC MOSFET時，必須考慮MOS管的米勒效應。當該器件用於橋式配置時，這種效應可能會帶來問題，尤其是當一個SiC MOSFET被接通，第二個SiC MOSFET在其漏極端子中產生電壓浪涌，並由於寄生電容充電而被意外導通的狀況下，會帶來非常不利的影響。這種開啟方式會造成高壓對地短路，從而損壞電路。

但SiC器件可以在低於20V的柵極電壓下工作，而從圖2中可以看出，此時的輸出特性變化很大。因此我們可以得出結論：較低的柵極電壓會導致系統的整體效率降低。即使在足夠高的柵極電壓下，可通過優化SiC MOSFET柵極驅動電路實現低RDSon ，也只完成了優化損耗工作的一半。如同文獻[3]中所示，開關損耗是另一個可以優化的部分。文獻[3]中使用了STGAPxx MOSFET驅動器來驅動SiC MOSFET。如圖3和圖4所示，STGAPxx MOSFET驅動器分為兩種。圖3中的示意圖顯示了，當使用雙極性柵極驅動電源時，如何完成對SiC MOSFET的柵極驅動。該雙極性柵極驅動電壓並不是上面所說的一項強制性要求，但它有助於將米勒效應降至最低，並創造出更好的、可控的通斷開關。圖4是有源米勒箝位的示意圖，它使設計者能夠使用單極性的柵極驅動電源。

圖3：STGAP2SICS的半橋配置和獨立的柵極驅動路徑

圖4：STGAP2SICS的半橋配置和內置米勒箝位功能的組合柵極驅動路徑

摘自文獻[3]中的圖5和圖6顯示了，優化柵極驅動電路中的電阻設計時，所產生的能量損耗差異。採用10還是1的區別在於是否可以避免250µJ的損失。這張圖還表明，開關損耗不是對稱的，這意味着開啟時的損耗與關斷時的損耗是不同的。另外值得注意的是，如果需要較長的關斷時間來獲得更好的EMI性能，由於斜率較低，因此不會像開啟時那樣嚴重影響效率。

圖5：文獻[3]中所測試和計算的Eoff與Rg的關係，VDD=800 V、ID=20 A、VGS=-2 V～20 V、Tj=25 °C

圖6：文獻[3]中所測試和計算的Eon與Rg的關係，VDD=800 V、ID=20 A、VGS=-2 V～20 V、Tj=25 °C

在比較IGBT與SiC時，還有一點需要注意：SiC MOSFET與IGBT的主要區別是在關閉器件時，如要完全關斷，IGBT就需要徹底掃除其少數載流子，而載流子的傳輸發生在IGBT已經關斷，並且集電極和發射極之間的電壓達到最大時，這就會給IGBT帶來極大的開關損耗。但這種「尾流」效應在SiC MOSFET中是不存在的，因此SiC MOSFET在關斷時的能量損耗更少。

總結

本文所探討的參數和特性讓我們在進行電力電子設計時對某些方面有了新的認知。當前和未來的電子設計，如電池充電器、馬達和太陽能光伏逆變器等，都將因為SiC器件的使用而獲得極大的提升。這些新器件不僅能夠提高效率，還能讓設備的尺寸變得更加小巧，在大功率和高溫的狀態下正常運轉。但是讓人們對創新設計和SiC的未來產生好奇的，不僅僅是器件的特性，還有意法半導體的戰略。該公司在這項技術的研發上投入了大量的資源，將為業界帶來性能更好的SiC器件和更廣闊的發展前景，值得大家期待！