CoolSiC? MOSFET G2導通特性解析

上一篇我們介紹了英飛凌CoolSiC? MOSFET?G2的產(chǎn)品特性（參考文章：CoolSiC? MOSFET G2性能綜述）。那么在實際應用中，G2如何進行正確的選型呢？接下來兩篇文章會和大家仔細探討這個問題。今天的文章將會主要聚集在G2的導通特性上。

在MOSFET設計選型過程中，工程師往往會以MOSFET常溫下漏源極導通電阻RDS(on)作為第一評價要素。RDS(on)往往會體現(xiàn)在產(chǎn)品型號中，比如IMZA120R040M1H中的040，代表的就是結溫25℃條件下，Vgs在18V時器件的RDS(on)約為40mΩ。

從上面的參數(shù)表也可以看出，RDS(on)是一個正溫度系數(shù)的參數(shù)，對于IMZA120R040M1H來說，Tvj=175℃下的RDS(on)，幾乎等于常溫下的兩倍。

再來看G2 34mΩIMZC120R034M2H的參數(shù)表，Tvj=175℃下的RDS(on)，約等于常溫下的2.3倍。

可以看出G2?RDS(on)的溫度系數(shù)是要大于Gen1的。盡管在常溫下，IMZC120R034M2H?RDS(on)=34mΩ，低于IMZA120R040M1H的39mΩ，但是在175℃時，IMZC120R034M2H?RDS(on)達到了80mΩ，略高于IMZA120R040M1H的77mΩ。

SiC MOSFET常工作在高溫下，高溫下更高的RDS(on)會導致更高的導通損耗。那么為什么CoolSiC? G2要設計這么明顯的RDS(on)溫度系數(shù)？這不是與功率器件低損耗、高功率的發(fā)展方向背道而馳？

要回答這個問題，我們要先弄明白SiC MOSFET?RDS(on)溫度特性背后的機理。

SiC MOSFEST總導通電阻RDS(on)主要有三部分組成：溝道電阻Rchannel，JFET電阻RJFET和漂移區(qū)電阻Rdrift。

在這三部分電阻中，溝道電阻Rchannel具有負溫度系數(shù)，即隨溫度上升，電阻反而下降。而RJFET和Rdrift則具有正溫度系數(shù)，即電阻隨溫度上升而上升。那么總導通電阻RDS(on)的溫度系數(shù)就由這三部分的比例決定。

如果溝道電阻Rchannel占比高，那么它的負溫度系數(shù)會很大程度上抵消掉RJFET和Rdrift的正溫度系數(shù)，使得總RDS(on)的溫度曲線比較平坦，對外表現(xiàn)為高溫下RDS(on)相比常溫下數(shù)值變化很小。反之，Rchannel占比低的話，總RDS(on)的溫度曲線就會很陡峭，高溫下RDS(on)增加明顯。

CoolSiC? MOSFET是溝槽柵器件，從Gen1開始，溝道電阻Rchannel占比就很低，總RDS(on)的溫度系數(shù)就由正溫度系數(shù)的JFET電阻+漂移區(qū)電阻決定。而平面柵器件因為溝道電阻占比高，其負溫度系數(shù)補償了JFET電阻+漂移區(qū)電阻的正溫度系數(shù)，所以總RDS(on)的溫度系數(shù)比溝槽柵的CoolSiC?更低。

而CoolSiC? G2溫度特性比G2更明顯。這都是由于CoolSiC?產(chǎn)品一直在不停的優(yōu)化溝道質(zhì)量，使得Rchannel在總電阻鏈路中的占比越來越低所致。

為什么英飛凌在執(zhí)著的降低溝道電阻？

做這件事又有什么好處？

SiC和Si材料有很大不同，在形成溝道時，會產(chǎn)生很多氧化層界面陷阱和界面態(tài)密度。這些界面態(tài)密度會捕獲電子，阻礙電子流動，增加溝道電阻。高溫時，被捕獲的電子獲得能量又被釋放，所以溝道電阻在高溫下反而降低，呈現(xiàn)負溫度系數(shù)。

SiC MOSFET中的溝道柵氧化層界面的質(zhì)量是SiC發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。不過有挑戰(zhàn)就有機遇，機遇就是SiC是各向異性晶體，在不同晶面上形成的溝道質(zhì)量是不一樣的，垂直晶面的界面態(tài)密度和氧化層陷阱要低于水平晶面。英飛凌選擇了一個特殊的[1120]晶面，它與垂直晶面有一個4℃的夾角，這個晶面能保持最低的界面態(tài)密度和氧化層陷阱，從而保證最高的溝道電子遷移率，以及最低的溝道電阻。同時，溝道電阻的負溫度系數(shù)也不明顯，可以理解為常溫下被捕獲的電子少，高溫下被釋放的電子也變少了。

通過采用降低柵氧化層界面的界面態(tài)密度和氧化層陷阱，可以提高溝道電子遷移率，允許使用更厚的柵氧化層，柵極氧化層的可靠性隨氧化層厚度的增加而呈指數(shù)級提高。從下圖中可以看到，英飛凌溝槽柵CoolSiC?所使用的柵氧化層厚度，遠高于平面柵，從而保證器件的長期可靠性與穩(wěn)定性。

對于SiC MOSFET的設計發(fā)展而言，總體趨勢都是在想方設法改進溝道質(zhì)量，降低溝道電阻, 未來的RDS(on)溫度系數(shù)勢必會更加明顯。

總結

綜上所述，對CoolSiC? G2進行選型時，尤其是對原有項目做替代時，不能簡單的按照RDS(on)的數(shù)值進行一比一替換，開關損耗也是重要的考量因素，要實際考慮應用場景、電路拓撲、開關頻率、散熱環(huán)境等綜合條件。下一篇文章我們將會分析在軟開關和硬開關兩種場景下，分別應該如何選型。