ROHM丨SiC功率器件及模块应用笔记

发布时间：2026-09-09 13:17
作者：AMEYA360
来源：ROHM
阅读量：842

　　SiC半导体

　　· SiC材料的物性和特征

　　SiC(碳化硅)是一种由硅(Si)和碳(C)构成的化合物半导体材料。表1-1列出了各种半导体材料的电气特征，SiC的优点不仅在于其绝缘击穿场强(Breakdown Field)是Si的10倍，带隙(Energy Gap)是Si的3倍，而且在器件制造时可以在较宽的范围内实现必要的P型、N型控制，所以被认为是一种超越Si极限的用于制造功率器件的材料。SiC存在各种多型体(结晶多系)，它们的物性值也各不相同。最适合于制造功率器件的是4H-SiC，现在4inch～6inch的单晶晶圆已经实现了量产。

ROHM丨SiC功率器件及模块应用笔记

　　SiC功率器件的特征

　　SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍，因此与Si器件相比，能够以更高的掺杂浓度并且膜厚更薄的漂移层制作出600V～数千V的高压功率器件。高压功率器件的电阻成分主要由该漂移层的电阻所组成，因此使用SiC材料可以实现单位面积导通电阻非常低的高压器件。

　　理论上当耐压相等时，SiC在单位面积下的漂移层电阻可以降低到Si的1/300。对于Si材料来说，为了改善由于器件高压化所带来的导通电阻增大的问题，主要使用例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅极双极型晶体管)等少数载流子器件(双极型器件)，但是却存在开关损耗较大的问题，其结果是所产生的发热问题限制了IGBT的高频驱动应用。SiC材料能够以具有快速器件结构特征的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和MOSFET)实现高压化，因此可以同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性。

　　另外，SiC的带隙较宽、大约是Si的3倍，因此能够实现在高温条件下也可以稳定工作的功率器件(目前由于受到封装的耐热可靠性的制约，只保证到150℃～175℃，但是随着封装技术的发展，将来也可能达到200℃以上的保证温度)。

　　SiC SBD的特征

　　· 器件结构和特征

　　SiC能够以具有快速器件结构特征的肖特基势垒二极管(SBD)结构，制作出1200V以上的高耐压二极管(Si SBD的最高耐压为200V左右)。

　　因此，如图2-1所示，通过将现在主流使用的快速PN结二极管(FRD：快速恢复二极管)替换为SiC SBD，能够大幅减小反向恢复损耗。有助于实现电源的高效化，并且通过高频驱动实现电感等被动器件的小型化，同时降低噪声水平。以功率因数校正电路(PFC电路)和二次侧整流电路为中心，目前广泛应用于电动汽车充电器、光伏发电系统中的功率调节器、服务器电源、空调等多个领域。

　　目前，ROHM SiC SBD的主要产品线包括650V、1200V、1700V耐压的产品。

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AMEYA360代理丨ROHM SiC驱动技术篇：桥式电路的开关产生的电流和电压

　　在上一篇文章中，对SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路的导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作进行了解说。本文将介绍在SiC MOSFET这一系列开关动作中，SiC MOSFET的VDS和ID的变化会产生什么样的电流和电压。　　下面的电路图是SiC MOSFET桥式结构的同步式boost电路，LS开关导通时的示例。电路图中包括SiC MOSFET的寄生电容、电感、电阻，HS和LS的SiC MOSFET的VDS和ID的变化带来的各处的栅极电流(绿色线)。　　ID的变化dID/dt所产生的电压　　ID的变化将会产生下述公式(1)所示的电压。　　这是由于存在于SiC MOSFET源极的寄生电感中流过ID而产生的电压，是由电路图中的(I)引起的。该电压会使电流(I’)流过。　　VDS的变化dVDS/dt所产生的电流　　以HS为例，当SiC MOSFET关断、VDS变化时，Gate-Drain寄生电容CGD中会流过电流ICGD。如电路图所示，该电流分为Gate-Source寄生电容CGS侧流过的电流ICGD1：(II)-1和栅极电路侧流过的电流ICGD2：(II)-2。当VDS开始变化时，栅极电路侧的阻抗较大，因此大部分ICGD都在CGS侧，此时的ICGD1如公式(2)所示。　　从公式可以看出，当CGD较大时或CGD/CGS的比值变小时，ICGD1会增加。　　dVDS/dt和dID/dt既可以为正也可以为负，所以因它们而产生的电流和电压的极性在导通(Turn-on)和关断(Turn-off)时是不同的。在下一篇文章中将会进一步详细解说。　　AMEYA360作为ROHM官方授权代理商，可提供上述全系列SiC器件的选型参考、样品申请、现货供应及配套技术支持，助力工程师快速完成SiC方案评估与落地。欢迎联系Ameya获取更多ROHM SiC产品信息与支持。
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AMEYA360代理丨ROHM SiC驱动技术篇：SiC-MOSFET的桥式结构栅源电压动作解析
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AMEYA360代理丨ROHM SiC驱动技术篇：SiC-MOSFET的桥式结构栅源电压动作解析

　　从本文开始，我们将进入SiC功率元器件基础知识应用篇的第一弹“SiC MOSFET：桥式结构中栅极-源极间电压的动作”。　　前言　　MOSFET和IGBT等电源开关元器件被广泛应用于各种电源应用和电源线路中。另外，所使用的电路方式也多种多样，除单独使用外，还有串联连接、并联连接等多种使用方法。　　其中，在将开关元件上下串联连接的桥式结构中，通常交替地导通与关断各个元器件。下面是常规的桥式结构同步方式boost电路，波形图是根据栅极信号交替地导通/关断的低边(LS)MOSFET和高边(HS)MOSFET的漏极-源极间电压(VDS)和漏极电流(ID)示例。　　通过开关工作，流过各元件的电流和变化的电压以复杂的方式相互影响。尤其是在处理高电压高电流的电路中，受安装电路板和结线引起的寄生分量等影响，产生电压和电流的动作，并因此导致工作不稳定、效率下降，从而可能导致损耗增加、产生异常发热等问题。　　近年来，SiC MOSFET等高性能功率元器件的应用，使得通过高速开关转换大功率成为可能，但在操作过程中，需要对开关工作有深入的了解。　　在探讨“SiC MOSFET：桥式结构中Gate-Source电压的动作”时，本文先对SiC MOSFET的桥式结构和工作进行介绍，这也是这个主题的前提。　　SiC MOSFET的桥式结构　　下面给出的电路图是在桥式结构中使用SiC MOSFET时最简单的同步式boost电路。该电路中使用的SiC MOSFET的高边(HS)和低边(LS)是交替导通的，为了防止HS和LS同时导通，设置了两个SiC MOSFET均为OFF的死区时间。右下方的波形表示其门极信号(VG)时序。　　该电路中HS和LS MOSFET的Drain-Source电压(VDS)和漏极电流(ID)的波形示意图如下。这是电感L的电流处于连续动作状态，即所谓的硬开关状态的波形。　　横轴表示时间，时间范围Tk(k=1～8)的定义如下：　　T1： LS为ON时、MOSFET电流变化的时间段　　T2： LS为ON时、MOSFET电压变化的时间段　　T3： LS为ON时的时间段　　T4： LS为OFF时、MOSFET电压变化的时间段　　T5： LS为OFF时、MOSFET电流变化的时间段　　T4～T6： HS变为ON之前的死区时间　　T7： HS为ON的时间段(同步整流时间段)　　T8： HS为OFF时、LS变为ON之前的死区时间　　本文将针对SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路及其导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作进行解说。　　SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路　　LS(低边)侧SiC MOSFET Turn-on和Turn-off时的VDS和ID的变化方式不同。在探讨SiC MOSFET的这种变化对Gate-Source电压(VGS)带来的影响时,需要在包括SiC MOSFET的栅极驱动电路的寄生分量在内的等效电路基础上进行考量。　　右图是最基本的栅极驱动电路和SiC MOSFET的等效电路。栅极驱动电路中包括栅极信号(VG)、SiC MOSFET内部的栅极线路内阻(RG_INT)、以及SiC MOSFET的封装的源极电感量(LSOURCE)、栅极电路局部产生的电感量(LTRACE)和外加栅极电阻(RG_INT)。　　关于各电压和电流的极性，需要在等效电路图中，以栅极电流(IG)和漏极电流(ID)所示的方向为正，以源极引脚为基准来定义VGS和VDS。　　SiC MOSFET内部的栅极线路中也存在电感量，但由于它比LTRACE小，因此在此忽略不计。　　导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作　　为了理解桥式电路的Turn-on / Turn-off动作，下面对上一篇文章中提到的桥式电路中各SiC MOSFET的电压和电流波形进行详细说明。下面的波形图与上次的波形图是相同的。我们和前面的等效电路图结合起来进行说明。　　当正的VG被施加给LS侧栅极信号以使LS侧ON时，Gate-Source间电容(CGS)开始充电，VGS上升，当达到SiC MOSFET的栅极阈值电压(VGS(th))以上时， LS的ID开始流动，同时从源极流向漏极方向的HS侧ID开始减少。这个时间范围就是前一篇文章中定义的T1(见波形图最下方)。　　接下来，当HS侧的ID变为零、寄生二极管 Turn-off时，与中间点的电压(VSW)开始下降的同时，将对HS侧的Drain-Source间电容(CDS)及Drain-Gate间电容(CGD)进行充电(波形图T2)。对该HS侧的CDS+CGD充电(LS侧放电)完成后，当LS侧的VGS达到指定的电压值，LS侧的 Turn-on动作完成。　　而Turn-off动作则在LS侧VG OFF时开始，LS侧的CGS蓄积的电荷开始放电，当达到SiC MOSFET的平台电压(进入米勒效应区)时，LS侧的VDS开始上升，同时VSW上升。　　在这个时间点，大部分负载电流仍在LS侧流动(波形图T4)，HS侧的寄生二极管还没有转流电流。LS侧的CDS+CGD充电(HS侧为放电)完成时，VSW超过输入电压(E)，HS侧的寄生二极管Turn-on，LS侧的ID开始转向HS侧流动(波形图T5)。　　LS侧的ID最终变为零，进入死区时间(波形图T6)，当正的VG被印加给HS侧MOSFET的栅极信号时Turn-on，进入同步工作时间(波形图T7)。　　在这一系列的开关工作中，HS侧和LS侧MOSFET的VDS和ID变化导致的各种栅极电流流动，造成了与施加信号VG不同的VGS变化。具体内容将在下一篇文章进行详细说明。　　AMEYA360优势料号　　SCT4018KRC15：　　1200V, 18mΩ, 4引脚THD, 沟槽结构, SiC MOSFET　　SCT4026DLLTRDC：　　750V, 61A, 9引脚SMD，沟槽结构，碳化硅(SiC) MOSFET　　SCT4036DLLTRDC：　　750V, 46A, 9引脚SMD, 沟槽结构, SiC(碳化硅)MOSFET　　SCT4045DLLTRDC：　　750V, 37A, 9引脚SMD，沟槽结构，SiC(碳化硅)MOSFET　　SCT4036KRC15：　　1200V, 36mΩ, 4引脚THD, 沟槽结构, SiC MOSFET　　AMEYA360作为ROHM官方授权代理商，可提供上述全系列SiC器件的选型参考、样品申请、现货供应及配套技术支持，助力工程师快速完成SiC方案评估与落地。欢迎联系Ameya获取更多ROHM SiC产品信息与支持。
2026-10-20 13:02 阅读量：337
AMEYA360代理丨ROHM SiC核心器件篇：SiC-MOSFET－体二极管的特性
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AMEYA360代理丨ROHM SiC核心器件篇：SiC-MOSFET－体二极管的特性

　　上一章介绍了与IGBT的区别。本章将对SiC-MOSFET的体二极管的正向特性与反向恢复特性进行说明。　　如图所示，MOSFET(不局限于SiC-MOSFET)在漏极-源极间存在体二极管。从MOSFET的结构上讲，体二极管是由源极-漏极间的pn结形成的，也被称为“寄生二极管”或“内部二极管”。对于MOSFET来说，体二极管的性能是重要的参数之一，在应用中使用时，其性能发挥着至关重要的作用。　　SiC-MOSFET体二极管的正向特性　　下图表示SiC-MOSFET的Vds-Id特性。在SiC-MOSFET中，以源极为基准向漏极施加负电压，体二极管为正向偏置状态。该图中Vgs=0V的绿色曲线基本上表示出体二极管的Vf特性，。Vgs为0V即MOSFET在关断状态下，没有通道电流，因此该条件下的Vd-Id特性可以说是体二极管的Vf-If特性。如“ROHM SiC基础篇：为何SiC能成为新能源主力器件?”中“何谓碳化硅”中提到的，SiC的带隙更宽，Vf比Si-MOSFET大得多。　　而在给栅极-源极间施加18V电压、SiC-MOSFET导通的条件下，电阻更小的通道部分(而非体二极管部分)流过的电流占支配低位。为方便从结构角度理解各种状态，下面还给出了MOSFET的截面图。　　SiC-MOSFET体二极管的反向恢复特性　　MOSFET体二极管的另一个重要特性是反向恢复时间(trr)。trr是二极管开关特性相关的重要参数这一点在SiC肖特基势垒二极管一文中也已说明过。不言而喻，MOSFET的体二极管是具有pn结的二极管，因而存在反向恢复现象，其特性表现为反向恢复时间(trr)。下面是1000V耐压的Si-MOSFET和SiC-MOSFET SCT2080KE的trr特性比较。　　如图所示，示例的Si-MOSFET的trr较慢，流过较大的Irr。而SiC-MOSFET SCT2080KE的体二极管速度则非常快。trr、Irr均为几乎可忽略的水平，恢复损耗Err已经大幅降低。　　AMEYA36优势料号　　SCT4018KRC15：　　1200V, 18mΩ, 4引脚THD, 沟槽结构, SiC MOSFET　　SCT4026DLLTRDC：　　750V, 61A, 9引脚SMD，沟槽结构，碳化硅(SiC) MOSFET　　SCT4036DLLTRDC：　　750V, 46A, 9引脚SMD, 沟槽结构, SiC(碳化硅)MOSFET　　SCT4045DLLTRDC：　　750V, 37A, 9引脚SMD，沟槽结构，SiC(碳化硅)MOSFET　　SCT4036KRC15：　　1200V, 36mΩ, 4引脚THD, 沟槽结构, SiC MOSFET　　AMEYA360作为ROHM官方授权代理商，可提供上述全系列SiC器件的选型参考、样品申请、现货供应及配套技术支持，助力工程师快速完成SiC方案评估与落地。欢迎联系Ameya获取更多ROHM SiC产品信息与支持。
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