SiC MOSFET的體二極管及其關(guān)鍵特性

無論是平面柵還是溝槽柵，SiC MOSFET都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其縱向（從漏極到源極）的層狀結(jié)構(gòu)是通用的，如下圖所示：

圖1. 溝槽型--英飛凌非對(duì)稱溝柵CoolSiC MOSFET

圖2. 平面柵型MOSFET

N+襯底(Substrate)：高摻雜，作為漏極。

N-外延層(Drift Layer)：低摻雜，用于承受高阻斷電壓。

P-body區(qū)：P型阱區(qū)，通過離子注入形成。其上方是源極的N+區(qū)。

柵極(Gate)：在SiO2絕緣層（柵氧）之上，用于控制溝道導(dǎo)通。

源極(Source)：與P-body區(qū)和N+源區(qū)相連。

體二極管（Body Diode）也被稱為寄生二極管或內(nèi)置二極管。它是由MOSFET本身結(jié)構(gòu)“天然”形成的一個(gè)PN結(jié)二極管。觀察結(jié)構(gòu)圖，P-body區(qū)（P型）和 N- 外延層（N型）直接接觸，自然而然地構(gòu)成了一個(gè)PN結(jié)。

SiC的體二極管特性：

1.

反向恢復(fù)電荷小

由于SiC具有比Si更寬的禁帶寬度，使得SiC具有極低的本征載流子濃度和極高的臨界擊穿電場(chǎng)。高臨界擊穿電場(chǎng)允許SiC MOSFET的漂移區(qū)做得更薄、摻雜更高。低本征載流子濃度和高摻雜薄漂移區(qū)共同作用，使得PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)注入和儲(chǔ)存的少數(shù)載流子總量非常少。同時(shí)，SiC的載流子壽命也更短，使得這些本就不多的儲(chǔ)存電荷復(fù)合速度極快。因此，當(dāng)SiC MOSFET的體二極管從正向偏置切換到反向偏置時(shí)，需要被移除的電荷（Qrr）極少，且移除/復(fù)合的速度極快。此外，空間電荷區(qū)產(chǎn)生電容Coss。關(guān)斷過程中Coss被充電，達(dá)到Vdc。PN二極管的這個(gè)關(guān)斷過程通常稱為反向恢復(fù)，由雙極電流和電容電流驅(qū)動(dòng)。因此，SiC反向恢復(fù)電流（Irr）相較于Si器件而言小很多，反向恢復(fù)時(shí)間短，拖尾電流小。但是SiC體二極管仍舊存在一定的反向恢復(fù)損耗，可以從電路角度進(jìn)一步優(yōu)化。

2.

導(dǎo)通壓降較高

同樣因?yàn)镾iC有更寬的禁帶寬度，導(dǎo)致其PN結(jié)的開啟電壓較高，理論上，SiC PN結(jié)的開啟電壓就在2.5V - 3V左右，遠(yuǎn)高于硅二極管約0.7V的開啟電壓。

此外，從平面柵型SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)中可以看到，體二極管的電流路徑是：源極 → P-body → N- 漂移區(qū) → N+ 襯底→漏極。其中，P-body區(qū)為了與其他區(qū)域形成良好的PN結(jié)，其摻雜濃度和深度經(jīng)過優(yōu)化，但通常電阻較高。電流流經(jīng)這個(gè)高阻區(qū)會(huì)產(chǎn)生比較大的壓降。另外，由于內(nèi)部少數(shù)載流子壽命非常短，當(dāng)體二極管導(dǎo)通時(shí)，注入到漂移區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）還來不及進(jìn)行充分的電導(dǎo)調(diào)制（Conductivity Modulation）來降低漂移區(qū)的電阻，就被迅速?gòu)?fù)合掉了。因此，漂移區(qū)無法像在IGBT或硅PiN二極管中那樣電阻大幅下降，仍然保持較高的電阻率。傳統(tǒng)SiC體二極管的高壓降是“高開啟電壓”和“高串聯(lián)電阻”共同作用的結(jié)果。這導(dǎo)致其導(dǎo)通損耗很大。

02

死區(qū)時(shí)間的選擇

死區(qū)時(shí)間是為了防止逆變橋或半橋電路中上下兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，造成“直通”（Shoot-through）而短路燒毀器件。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電流會(huì)通過互補(bǔ)開關(guān)管的體二極管進(jìn)行續(xù)流。死區(qū)時(shí)間的選擇主要從以下兩個(gè)方面影響SiC MOSFET的損耗表現(xiàn)：

1

體二極管在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，在其漂移區(qū)建立雙極等離子體。當(dāng)死區(qū)時(shí)間設(shè)置為極短時(shí)間時(shí)，漂移區(qū)的等離子體在體二極管關(guān)斷時(shí)可能還未完全建立起來。因此，必須從漂移區(qū)消除的電荷量比死區(qū)時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)要少，即反向恢復(fù)電荷較少。

2

如果死區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)，體二極管持續(xù)導(dǎo)通續(xù)流，由于Vf較高，會(huì)導(dǎo)致較大導(dǎo)通損耗。

應(yīng)用電路中的典型死區(qū)時(shí)間在150ns至1μs之間。圖3顯示了死區(qū)時(shí)間較短的影響。從圖中可以看出，與死區(qū)時(shí)間為1μs相比，死區(qū)時(shí)間為300ns時(shí)，反向恢復(fù)電荷顯著減少。漂移區(qū)的等離子體濃度在死區(qū)時(shí)間為500ns至1μs時(shí)達(dá)到飽和。當(dāng)td≥1μs，可以看出反向恢復(fù)特性無差異。縮短死區(qū)時(shí)間，是提升SiC MOSFET性能的有效方式。

圖3：在T=150°C條件下，不同死區(qū)時(shí)間下的快速體二極管關(guān)斷。

英飛凌CoolSiC MOSFET G2通過非對(duì)稱溝槽柵與深P阱設(shè)計(jì)、優(yōu)化寄生電容等手段，其增強(qiáng)型體二極管的反向恢復(fù)特性得到改善，允許系統(tǒng)采用更短的死區(qū)時(shí)間（可短至 150ns ），但實(shí)際應(yīng)用中仍需仔細(xì)評(píng)估以避免橋臂直通風(fēng)險(xiǎn)。

首先，死區(qū)時(shí)間必須大于開關(guān)管（如低邊LS MOSFET）的關(guān)斷延遲與續(xù)流管（如高邊HS MOSFET）的開通延遲之間的差值，并考慮一定裕量。其次，死區(qū)時(shí)間的設(shè)定還需要考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳輸延時(shí)。因此，死區(qū)時(shí)間的選擇可以參考如下公式：

td_off_max為最大關(guān)斷時(shí)間，td_on_min為最小開通時(shí)間，tpdd_max為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大傳輸延遲時(shí)間，tpdd_min為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最小傳輸延時(shí)時(shí)間，系數(shù)1.2為裕量。

實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際的工況提前用示波器進(jìn)行測(cè)量：

1.

初始設(shè)置與安全基準(zhǔn)

設(shè)定保守值：參考數(shù)據(jù)手冊(cè)和上述公式，從一個(gè)較長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間開始。

連接示波器：建議使用四個(gè)通道，分別測(cè)量同一橋臂上管和下管的柵源極電壓（Vgs），下管的漏源極電壓（Vds）以及使用電流探頭觀察漏極電流（Id）。

捕獲基準(zhǔn)波形：在安全條件下，捕獲一個(gè)完整的開關(guān)周期波形。此時(shí)波形應(yīng)干凈，無異常尖峰。

2.

逐步優(yōu)化與臨界點(diǎn)判斷

逐步減小死區(qū)時(shí)間：以10-20ns為步長(zhǎng)，逐步減小死區(qū)時(shí)間。每調(diào)整一次，都需用示波器仔細(xì)觀察開關(guān)瞬間的波形。

觀察關(guān)鍵“危險(xiǎn)信號(hào)”：

Vgs交疊：放大觀察上下管Vgs的上升沿和下降沿。絕對(duì)禁止出現(xiàn)兩者同時(shí)高于器件導(dǎo)通閾值電壓的情況。

Vds/Id異常：關(guān)注開關(guān)瞬間的Vds和Id波形。如果出現(xiàn)異常的電壓凹陷或巨大的電流尖峰，是發(fā)生直通的明確證據(jù)。

找到臨界點(diǎn)：持續(xù)減小死區(qū)時(shí)間，直到示波器上剛剛開始出現(xiàn)上述危險(xiǎn)的跡象（如Vgs波形幾乎貼在一起，Vds出現(xiàn)微小毛刺）。這個(gè)點(diǎn)就是安全的極限。

圖4給出了死區(qū)的臨界點(diǎn)仿真示意圖，其中虛線所示的波形為安全波形，實(shí)線所示的波形由于死區(qū)時(shí)間過短發(fā)生了直通的問題。直通發(fā)生時(shí)，SiC瞬態(tài)電流上升明顯，開關(guān)損耗也有大幅度的增加，應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生。

圖4：死區(qū)設(shè)置臨界點(diǎn)仿真示意圖

3.

確定最優(yōu)值并全工況驗(yàn)證

增加設(shè)計(jì)余量：在找到的臨界死區(qū)時(shí)間值上，增加20%-50%的余量。這個(gè)余量用于應(yīng)對(duì)溫度變化、器件離散性、柵極驅(qū)動(dòng)波動(dòng)等因素，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

全工況驗(yàn)證：將設(shè)置好的死區(qū)時(shí)間在不同條件下進(jìn)行測(cè)試，包括輕重負(fù)載、冷機(jī)熱機(jī)狀態(tài)等。確保在所有極端情況下，系統(tǒng)均能穩(wěn)定工作，無直通風(fēng)險(xiǎn)。