一種新型的耐高溫碳化硅超結(jié)晶體管

  基于硅（Si）半導(dǎo)體材料的功率器件的性能逐漸接近材料理論極限，很難通過(guò)技術(shù)革新和工藝改進(jìn)獲得器件性能的大幅度提升，以碳化硅SiC(Silicon Carbide)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料制作的新型功率器件應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)硅器件相比，碳化硅功率器件具有導(dǎo)通電阻低、擊穿電壓高、結(jié)-殼熱阻低、極限工作溫度高等優(yōu)點(diǎn)。目前商業(yè)化的SiC功率器件主要有SiC MOSFET和SiC JFET，但SiC MOSFET存在柵極氧化層可靠性問(wèn)題，SiC JFET存在某些類(lèi)型是常通器件不便于使用和溫度系數(shù)偏大等問(wèn)題。傳統(tǒng)Si BJT由于驅(qū)動(dòng)復(fù)雜、存在二次擊穿等問(wèn)題，已逐漸淡出電力電子變換器應(yīng)用場(chǎng)合。但隨著SiC器件研究熱潮的掀起，SiC BJT表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。SiC SJT是超高電流增益的常斷型SiC三極管，不存在傳統(tǒng)Si三極管的二次擊穿問(wèn)題，其反向偏置安全工作區(qū)呈矩形，具有很低的導(dǎo)通壓降Vds（on），開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)數(shù)10 MHz，且具有300℃以上高溫工作能力。這種晶體管應(yīng)用于功率電子電路，可以顯著提高整機(jī)效率，縮小系統(tǒng)尺寸，減少元件數(shù)，減輕散熱負(fù)擔(dān)。
 
  為了正確理解和應(yīng)用SiC SJT，本文對(duì)SiC SJT的特性與參數(shù)進(jìn)行了深入的分析，并對(duì)目前業(yè)界最好水平的幾種1200V耐壓Si IGBTs進(jìn)行了針對(duì)性比較研究。這3種Si IGBT為①NPT1：125℃/1200V/14A定額硅非穿通型IGBT；②NPT2：150℃/1200V/10A定額硅非穿通型IGBT；③TFS：175℃/1200V/15A 額定硅TrenchStop IGBT。3 種IGBT的封裝內(nèi)都集成了反并聯(lián)的快恢復(fù)二極管。
 
  1. SiC SJF的靜態(tài)特性
  1.1 通態(tài)特性
  SiC SJT的典型輸出特性如圖1所示，SiC SJT的漏源偏置電壓接近零，飽和區(qū)不明顯，在飽和區(qū)不同柵極電流下的I-V曲線并不在飽和區(qū)的重合。這兩個(gè)特點(diǎn)表明SiC SJT在漂移區(qū)中缺乏電荷存儲(chǔ)，這與傳統(tǒng)的Si三極管有較大差異。SiC SJT的這種固有特性使其在不同溫度下都可以獲得較快的開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)速度受溫度影響較小。

 
  在相同的溫度下，SiC SJT的通態(tài)壓降比Si IGBT的低，在25℃時(shí)其壓降Vds（on）為1.5 V，在125℃時(shí)為2.5 V（漏電流為7A）。與多數(shù)載流子器件的特性相似，SiC SJT的導(dǎo)通壓降Vds（on）呈正溫度系數(shù)，這使其易于并聯(lián)擴(kuò)容。文中1200V/7A 定額的SJT 在25℃工作溫度下其導(dǎo)通電阻值為235 m?（柵極電流為400mA）。當(dāng)結(jié)溫從25℃增加到250℃時(shí)，最大電流增益從72下降到39，見(jiàn)圖2。  
  1.2 阻斷特性
  如圖3所示，為SiC SJT的阻斷特性。這種SiC SJT額定阻斷電壓為1200V，在325℃高溫時(shí)，漏電流仍較低，小于100µA 。  
  圖4給出SiC SJT與Si-IGBT在不同溫度情況下測(cè)得的漏電流。Si-IGBT在超過(guò)175℃結(jié)溫后漏電流太大，不能正常工作，而SiC SJT可達(dá)325℃，受現(xiàn)有封裝技術(shù)的限制，未能進(jìn)一步增加工作溫度。與Si-IGBT對(duì)比，SiC SJT的漏電流隨溫度增加的速率較低。  
  2. SiC SJT的門(mén)極控制特性
  SiC SJT既可以工作于門(mén)極電流控制模式（如圖1），也可以工作于門(mén)極電壓控制模式（如圖5）。  
  圖5給出1200V/7A定額的SJT在門(mén)極電壓模式控制下測(cè)得的輸出特性，在門(mén)極電壓VGS=4V時(shí)，SiC SJT可以獲得7A的額定電流。這一驅(qū)動(dòng)電壓值比驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET所需的典型電壓值20V要小得多。圖6給出7A SiC SJT不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性。室溫下（25℃），7A電流處的小信號(hào)跨導(dǎo)為7.4 S，當(dāng)溫度為125℃時(shí)，跨導(dǎo)降為7.1S。25℃時(shí)，門(mén)極門(mén)檻電壓為2.8 V，250℃時(shí)門(mén)檻電壓降為2.4 V。圖中轉(zhuǎn)移特性在更高電流下出現(xiàn)飽和現(xiàn)象是因?yàn)橛糜跍y(cè)試的波形記錄器的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路功率限制所致。  
  3. SiC SJT的開(kāi)關(guān)特性
  采用雙脈沖電路對(duì)SiC SJT和Si-IGBT的開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行了測(cè)試。圖7、圖8分別給出開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程中不同器件組合下的開(kāi)關(guān)能量測(cè)試結(jié)果。SiC SJT的開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，在25℃~250℃范圍內(nèi)，開(kāi)通時(shí)間保持在12ns左右，關(guān)斷時(shí)間保持在14 ns左右，與其它器件組合相比，開(kāi)關(guān)能量低很多。  
  圖9給出所有器件組合在fs=100 kHz，占空比D=0.7時(shí)的損耗對(duì)比結(jié)果。SiC SJT在250℃時(shí)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)損耗、導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗分別為5.25 W、26.65 W和20 W。雖然SiC SJT的驅(qū)動(dòng)損耗比Si-IGBT的驅(qū)動(dòng)損耗高得多，但其對(duì)總損耗的影響較小。采用全SiC器件組合（SiC SJT與SiC Doide）比全Si器件組合（Si IBGT與Si Doide）的損耗至少降低了50%。  
  4. 安全工作范圍
  4.1 反向偏置安全工作區(qū)
  傳統(tǒng)的Si BJT因存在二次擊穿問(wèn)題，限制了高壓工作時(shí)的最大電流。然而SiC SJT具有接近理想矩形的反向偏置安全工作區(qū)。圖10和圖11給出兩種極端情況下關(guān)斷安全工作區(qū)的測(cè)試結(jié)果。圖10對(duì)應(yīng)額定漏極偏置電壓（800 V）、3倍額定漏極電流（22A）；圖11對(duì)應(yīng)額定電流7A、更高的漏極偏置電壓1250V。由圖10和圖11可見(jiàn)，SiC SJT在超高的漏極電流和漏極電壓偏置下仍能安全關(guān)斷，這也同時(shí)可推斷出SiC SJT具有理想的矩形反偏安全工作范圍。  
  4.2 短路安全工作區(qū)
  采用1200V/7A SiC SJT進(jìn)行的短路能力測(cè)試和雪崩特性測(cè)試結(jié)果如圖12和圖13所示。SiC SJT在漏極電壓為800 V，門(mén)極電流為0.2A時(shí)切換到短路狀態(tài)，短路電流達(dá)到13A，持續(xù)了22µs。這比SiC MOSFET通常能夠承受的10µs短路典型時(shí)間要長(zhǎng)得多。在這樣的短路條件下，SiC SJT直到持續(xù)25µs時(shí)才損壞。額定電流為7A的SiC SJT在7A電流和1mH電感下，進(jìn)行鉗位開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換工作，單脈沖雪崩能量EAS達(dá)到20.4 mJ。  
  5. 結(jié)論
  通過(guò)對(duì)1200V/7A SiC超結(jié)晶體管（SJT）和三種一流的商業(yè)用Si IGBTs的電氣性能的比較，可得SiC SJT具有更低的漏電流、電阻和開(kāi)關(guān)時(shí)間。同時(shí)更寬的工作溫度范圍，更高的電流增益，更長(zhǎng)的短路承受時(shí)間和方形反向偏置安全工作區(qū)使得其能夠工作在更多的場(chǎng)合。除此之外，相較于Si IGBTs，SiC SJT能有效地大幅降低能量損耗。



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