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SiC功率元器件基础.pdf
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本资料解释了SiC的物理性质和特点,通过与Si元器件进行比较来具体解释SiC肖特基势垒二极管和SiC MOSFET的特点以及用途的差异。同时还包含对全SiC功率模块各种优势的详细说明。 目录 - 前言 ................................................................................................................................................... 1 1.什么是 SiC(碳化硅) ................................................................................................................... 1 1.1 SiC 的物理性质和特点 .................................................................................................
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© 2023 ROHM Co., Ltd.
TWHB-16_001
SiC 功率元器件基础
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SiC 功率元器件基础
TWHB-16_001
© 2023 ROHM Co., Ltd.
Hand Book
- 目录 -
前言 ................................................................................................................................................... 1
1.什么是 SiC(碳化硅) ................................................................................................................... 1
1.1 SiC 的物理性质和特点 ................................................................................................. 1
1.2 SiC 功率元器件的特点 ................................................................................................. 2
2. SiC 功率元器件的开发背景和优势 ................................................................................................ 2
2.1 SiC 功率元器件的开发背景 .......................................................................................... 2
2.2 SiC 功率元器件带来的好处 .......................................................................................... 3
3. 什么是 SiC 肖特基势垒二极管 ...................................................................................................... 3
3.1 SiC SBD 的特点以及与 Si SBD 的比较 ........................................................................ 3
3.2 SiC SBD 与 Si PN 结二极管的比较 .............................................................................. 4
3.3 SiC SBD 的反向恢复特性 ............................................................................................. 5
3.3.1 SiC SBD 与 Si PND 反向恢复特性的不同 .................................................. 5
3.4 SiC SBD 的正向电压特性 ............................................................................................. 7
3.4.1. SiC SBD 与 Si PND VF 特性的不同 .......................................................... 7
3.4.2. SiC SBD 的 VF 特性改善 .......................................................................... 8
3.5 trr 和 VF 相关的损耗探讨 ............................................................................................. 8
3.6 SiC SBD 的发展 ........................................................................................................... 9
3.7 SiC SBD 的优势 ......................................................................................................... 10
3.8 SiC SBD 的可靠性 ...................................................................................................... 11
4.什么是 SiC MOSFET .................................................................................................................... 11
4.1 SiC MOSFET 的特点 .................................................................................................. 12
4.2 各种功率晶体管的结构和特点比较 ............................................................................ 13
4.3 与 Si MOSFET 的区别 ............................................................................................... 14
4.3.1 驱动电压 .................................................................................................. 14
4.3.2 内部栅极电阻 .......................................................................................... 14
4.4 与 IGBT 的区别 .......................................................................................................... 15
4.4.1 Vd-Id 特性 ................................................................................................ 15
4.4.2 关断损耗特性 .......................................................................................... 15
4.4.3 导通损耗特性 .......................................................................................... 16
4.5 SiC MOSFET 的体二极管特性 ................................................................................... 16
4.5.1 体二极管的正向特性 ................................................................................ 16
4.5.2 体二极管的反向恢复特性 ........................................................................ 17
4.6 沟槽结构 SiC MOSFET ............................................................................................. 18
SiC 功率元器件基础
TWHB-16_001
© 2023 ROHM Co., Ltd.
Hand Book
4.7 SiC MOSFET 的可靠性 .............................................................................................. 18
4.7.1 栅极氧化膜 ............................................................................................ 18
4.7.2 阈值稳定性(栅极正偏压) ..................................................................... 19
4.7.3 阈值稳定性(栅极负偏压) ..................................................................... 19
4.7.4 体二极管的通电劣化 ................................................................................ 19
4.7.5 短路耐受能力 .......................................................................................... 20
4.7.6 dV/dt 造成的损坏 ..................................................................................... 20
4.7.7 对宇宙射线带来的中子的耐受能力 .......................................................... 20
4.7.8 静电击穿耐受能力 ................................................................................... 21
4.7.9 各种可靠性试验条件 ................................................................................ 21
5. 什么是全 SiC 功率模块 ............................................................................................................... 21
5.1 全 SiC 功率模块的开关损耗 ....................................................................................... 21
5.2 应用要点:栅极驱动 .................................................................................................. 22
5.2.1 栅极驱动相关的探讨事项:栅极误导通
................................................ 22
5.2.2 开关速度:与 IGBT 的比较 ..................................................................... 23
5.2.3 寄生电容:与 IGBT 的比较 ..................................................................... 23
5.2.4 栅极电压升高的机制 ................................................................................ 24
5.2.5 栅极误导通的抑制方法 ............................................................................ 25
5.2.6 通过评估电路确认 ................................................................................... 26
5.2.6.1 抑制方法②的效果 ................................................................. 26
5.2.6.2 抑制方法③的效果 ................................................................. 26
5.3 应用要点:缓冲电容器 .............................................................................................. 27
5.3.1 什么是缓冲电容器 ................................................................................... 27
5.3.2
缓冲用的电容器示例 ................................................................................ 28
5.3.3 缓冲电容器的安装示例 ............................................................................ 28
5.3.4 缓冲电容器的效果示例 ............................................................................ 29
5.4 应用要点:专用栅极驱动器与缓冲模块 ..................................................................... 30
5.4.1 全 SiC 模块的驱动规格与基本结构 ......................................................... 30
5.4.2 专用栅极驱动板和陶瓷缓冲电容器模块 ................................................... 30
5.4.3 专用栅极驱动器和缓冲模块的效果 .......................................................... 31
5.4.4 缓冲电容器的效果示例 ............................................................................ 31
5.5 支持工具:全 SiC 模块损耗仿真工具 ........................................................................ 31
总结 ................................................................................................................................................. 32
修订记录 .......................................................................................................................................... 33
注意事项 .......................................................................................................................................... 34
- 1 -
TWHB-16_001
© 2023 ROHM Co., Ltd.
Hand Book
SiC 功率元器件基础
前言
近年来,在“功率元器件”或“功率半导体”等产品中,旨在以
低损耗处理大功率的二极管、晶体管以及模块产品备受瞩
目。这是因为,要想解决全球面临的 “节能化”和“小型化”
课题,必然需要更高效率、更高性能的功率元器件。
至于“功率元器件”具体应该基于怎样的定义来分类,目前
大概尚无明确的分类,不过大体上可以分为进行高电压大
功率 AC-DC 转换或功率开关的二极管和 MOSFET、以及
模块化之后用于逆变器等输出级的功率模块等。
本手册将介绍在功率元器件应用中在各方面表现优于以往
硅(以下简称“Si”)半导体的碳化硅(以下简称“SiC”)半 导
体“SiC 功率元器件”的基础知识。
SiC 是在热、化学、机械方面都非常稳定的化合物半导体,
在功率元器件重要的参数上都表现非常优异。作为元素,
SiC 具有优于 Si 半导体的低阻值,而且可以高速工作、在
高温环境下工作,能够大幅度削减从电力传输到实际应用
设备的各种功率转换过程中的能量损耗。
采用 SiC 半导体制成的功率器件 SiC 肖特基势垒二极管和
SiC MOSFET 已于 2010 年
*
1
开始量产销售,由 SiC
MOSFET 和 SiC SBD 构成的“全 SiC”功率模块也已于
2012 年
*
1
实现量产。另外,第 3 代 SiC 器件已经投入量
产,而且相应的技术发展速度很快。
*1:ROHM 在日本
国内或全球实现首次量产
本手册主要是面向对 SiC 还不太熟悉的工程师编写的,包
括 SiC 的物理性质和优点等基础内容,还通过与 Si 器件的
比较介绍了 SiC 肖特基势垒二极管和 SiC MOSFET 的特
性和使用方法上的不同。在手册的最后,还介绍了作为电
源级进行优化并具有诸多优势的全 SiC 模块。
鉴于 SiC 功率元器件在节能和小型化方面的出色表现,希
望通过本手册帮助您加深对 SiC 功率元器件的了解,在使
用时更加得心应手。
1.
什么是 SiC(碳化硅)
SiC(Silicon Carbide:碳化硅)是一种比较新的半导体材
料。要了解 SiC 功率元器件,首先需要了解这种材料的物
理性质和特点。
1.1 SiC
的物理性质和特点
SiC 是由硅(Si)和碳(C)组成的化合物半导体材料。其
结合力非常强,在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC 存
在多晶型(同质多象)现象,不同的晶体结构具有不同的
物理性质。其中适用于功率元器件领域的是 4H-SiC。表 1
中列出了 4H-SiC 与 Si 以及近年来比较常见的其他半导体
材料之间的比较。
表 1. 各种半导体材料的物理性质和应用示例
图 1. 3 英寸 4H-SiC 晶圆
特性
Si
4H-SiC
GaAs
GaN
用途示例
结晶结构
钻石
六方晶系
闪锌矿
六方晶系
带隙能量:E
G
(eV)
1.12
3.26 近 3 倍
1.43
3.5
高温工作,发
光波长
电子迁移率:μ
n
(cm
2
/Vs)
1400
900
8500
1250
高频率元器
件
空穴迁移率:μ
p
(cm
2
/Vs)
600
100
400
200
介电击穿强度:E
B
(V/cm)×10
6
0.3
3 10 倍
0.4
3
功率元器件
热导率(W/cmK)
1.5
4.9 超 3 倍
0.5
1.3
要求出色的
散热特性
饱和漂移速度:vs(cm/s)
×10
7
1
2.7 近 3 倍
2
2.7
高频率元器
件
相对介电常数:εS
11.8
9.7
12.8
9.5
p、n 控制
○
○
○
△
热氧化物
○
○
╳
╳
MOS 结构
- 2 -
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SiC 功率元器件基础
表 1 中黄色高亮部分是 Si 与 SiC 的比较。蓝色部分是用
于功率元器件时的重要参数。如数值所示,SiC 在这些参
数上具有显著优势。另外,与 Si 相同、与其他新材料不同
的是,SiC 这种材料在元器件制造所需的 p 型、n 型控制
方面支持很宽的控制范围,这也是 SiC 的一大特点。基于
这些优势,SiC 作为一种超越 Si 极限的功率元器件材料被
寄予厚望。现将 SiC 的特点总结如下:
Si 和 C 以 1:1 的比例合成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体
以 Si-C 原子对为单位层的最密堆积结构
存在多晶型现象,4H-SiC 最适合功率元器件
结合力非常强=在热、化学、机械方面很稳定
– 热稳定性 :在常压状态下无液层,2000℃升华
– 机械稳定性:莫氏硬度(9.3)可以媲美钻石(10)
– 化学稳定性:对大多数酸和碱呈惰性
1.2 SiC
功率元器件的特点
SiC 的介电击穿强度比 Si 高约 10 倍,耐压能力高达
600V~数千 V。另 外 ,与 Si 元器件相比,还可提高杂质浓
度,实现更薄的漂移层。高耐压功率元器件的电阻分量大
多是漂移层的电阻,阻值会与漂移层的厚度成正比增加。
因为使用 SiC 可以实现更薄的漂移层,所以可制作单位面
积的导通电阻非常低的高耐压元器件。理论上,在相同耐
压条件下,SiC 的单位面积漂移层电阻可低至 Si 的 1/300。
一直以来,Si 功率元器件主要使用 IGBT(绝缘栅双极晶
体管)等少数载流子器件(双极器件)来改善提高耐压引
起的导通电阻增加问题。但由于开关损耗大而存在发热问
题,因此在高频驱动方面一直存在限制。而 SiC 则能使 SBD
和 MOSFET 等高速的多数载流子器件实现更高耐压,因
此能够同时实现“高耐压”、“低导通电阻”和“高速”。
另外,SiC 的带隙是 Si 的 3 倍左右,能够在更高温度条件
下工作。目前,受封装耐热性的制约可保证 150℃~175℃
的工作温度,不过随着封装技术的发展,未来可能会支持
200℃以上的高温工作。
本章简要介绍了一些基础要点,对于没有相关物理性质和
工艺基础的人来说,可能理解起来有点困难。不过不用担
心,即使不了解这些要点,您依然可以使用 SiC 功率元器
件。
<小结>
SiC 的物理性质适用于功率元器件。
与 Si 半导体相比,SiC 在降低损耗和在高温环境下工作
的特性方面具有显著优势。
2. SiC
功率元器件的开发背景和优势
SiC 功率元器件可以实现比 Si 功率元器件更低的电阻、更
高的耐压和更快的工作速度,并且可以在更高温度环境下
工作。下面介绍一下这种 SiC 功率元器件的开发背景及其
具体优势。
2.1 SiC
功率元器件的开发背景
前面提到,通过将 SiC 应用到功率元器件上,实现以往 Si
功率元器件无法实现的低损耗功率转换。这也是 SiC 半导
体在功率元器件领域得以实际应用的主要原因之一。另外,
其开发背景应该比较容易理解,那就是全球性的课题——
节能措施。
以低功率 DC-DC 转换器为例,随着移动技术的发展,转
换效率超过 90%已经变得司空见惯,然而高电压、大电流
的 AC-DC 转换器的效率还存在改善空间。众所周知,欧盟
等颁布的节能相关指令严格要求电气电子设备实现包括消
减待机功耗在内的节能目标。
在这种情况下,减少在功率转换过程中产生的能量损耗已
成为当务之急,这就必然要求将超越 Si 极限的材料应用在
功率元器件中。
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