作為第三代半導體材料，碳化矽（SiC）在各方面都優於矽基材料。與傳統的基於矽半導體材料的功率元件相比，新型碳化矽功率元件具有開關速度快、阻斷電壓高、高溫工作能力強等優點，能夠更好地滿足未來電力電子技術的發展需求。
上海展鑫電子經過三年的深入研發與不懈努力，已成為國內首家掌握6吋SiC MOSFET和SBD製程以及SiC MOSFET驅動晶片的企業。本文將闡述展鑫電子SiC功率元件的可靠性與應用，使用戶在使用前安心無憂，使用過程中更放心，從而打造更優質的產品。  
  1. 上海展鑫電子的SiC MOSFET是否有正負電壓應力極限資料？  
展鑫電子的SiC MOSFET閘極電壓規格（+20V/-5V）嚴格依照JEDEC標準認證，確保產品在室溫下使用壽命不低於10年。對於超過閘極電壓規格的應用，主要需要考慮以下兩點。  
首先，閘極本身的壽命模型主要取決於SiO2的TDDB（時間相關介質擊穿）模型。已有大量數據表明，在SiC上生長的SiO2介質層的質量與在Si上生長的SiO2相當。因此，從TDDB的角度來看，20V閘極介質能夠承受的更高電壓以及該電壓下的壽命模型與Si的MOSFET和IGBT類似；展鑫電子利用其自主研發的SiC MOSFET來建立SiO2閘極介質製程和元件壽命模型。  
其次，SiC MOSFET 與 Si MOS 產品（MOSFET 和 IGBT）之間最大的差異和挑戰在於正偏壓溫度不穩定性 (PBTI) 和負偏壓溫度不穩定性 (NBTI)。施加正偏壓後，裝置的閾值電壓 (Vth) 會升高；施加負偏壓後，裝置的閾值電壓會降低。在 JEDEC 認證條件下，只要在閘極電壓規格範圍內工作，元件壽命就能得到保證。對於超出閘極電壓規格的應用壽命模型，展鑫電子正在建造設備並進行詳細的規劃和研究。一般來說，只要正閘極電壓不超過 25V，負閘極電壓不低於 -10V，佔空比較小的脈衝就不會對元件性能造成不可恢復的傷害。具體的量化關係和壽命模型將在第一輪研究結束時給出。  
  2. 上海展鑫電子是如何解決SiC MOSFET應用中建立負驅動電壓的問題的？這種方法可靠嗎？  
展鑫電子開發了業界首款採用8腳封裝、整合負壓驅動功能的35V/4A驅動器IVCR1401D/IVCR1401DP。驅動器啟動後，NEG輸出被拉低至GND，內部電流源快速對負壓電容進行充電。負壓建立後，NEG接腳釋放，內部負壓穩壓器可將負壓調整至-3.5V以確保正常運作。之後，柵極驅動訊號NEG在(VCC-3.5V)和-3.5V之間切換。下圖展示了負壓電容的建立過程。為1μF電容充電大約需要28μs。為了降低負壓電容上的漣波，確保負壓的建立和驅動可靠穩定，建議使用電容值​​大於Cg 100倍的X7R電容。我公司已使用該晶片驗證了老化測試系統電路。它可以驅動SiC MOSFET，工作條件為1000V/20A/125℃。連續運轉1000小時後，仍能穩定可靠地驅動。  
    圖1      3. 上海展鑫電子如何解決SiC MOSFET應用中的負電壓尖峰問題？負電壓尖峰的產生機制是什麼？有哪些解決方法？  
與傳統的矽功率元件相比，SiC MOSFET 具有更快的開關速度。然而，這種快速瞬態過程使得 SiC MOSFET 的開關性能對迴路的寄生參數更加敏感，特別體現在驅動波形上。下圖顯示了米勒效應產生的電壓尖峰。在 SiC MOSFET 的半橋應用中，下管保持關閉狀態。當上管關斷時，會產生較大的 dv/dt。由於功率迴路和驅動迴路中的寄生電感，會產生更大的米勒電流。此電流會在驅動電阻 RG 上產生壓力降，導致 VGS 波形上出現負尖峰；類似地，當上管導通時，也會產生較大的 dv/dt。由於迴路中存在寄生電感，也會產生更大的米勒電流。此電流會在驅動電阻 RG 上產生壓力降，導致 VGS 波形上出現正尖峰。     圖2  
  為了降低驅動器的負壓峰值，可以採取以下幾種方法：  
1）將一個背靠背MOS管（建議型號：QS5K2TR）並聯到驅動電阻RG上，以減少米勒效應在RG上引起的電壓降，從而降低米勒峰值電壓，如下圖Q1、Q2所示；
  圖 3 2) 將驅動晶片盡可能靠近 SiC MOSFET 的閘極放置，以盡可能降低驅動迴路中的寄生電感；3) 盡量減小佈局中功率迴路的面積，並儘量減小功率迴路和驅動迴路中的共源電感；4) 在條件允許的情況下，使用 TO247-4 封裝的共源電感；4) 在條件允許的情況下，使用 TO247-4 封裝的 SiCETp  
  4.上海展芯電子如何解決SiC MOSFET應用中的開關振盪問題？  
解決SiC MOSFET振盪問題的關鍵在於先解決驅動電路的振盪問題，並防止驅動訊號振盪所造成的振盪。為了解決驅動迴路振盪問題，需要將驅動晶片盡可能靠近SiC MOSFET的閘極，以最大程度地降低寄生電感和振盪。下圖展示了兩種情況。上圖顯示了驅動晶片遠離SiC MOSFET時的測試波形，下圖顯示了驅動晶片靠近SiC MOSFET時的測試波形。圖中天藍色波形為Vgs波形，黃色波形為Vds波形。左圖中米勒峰值高達19.2V，而右圖中米勒峰值僅為4.6V。如此顯著的改善主要歸功於驅動晶片與SiC MOSFET的距離更近。  
    圖4  
接下來，我們將解釋一些關於SiC MOSFET佈局的注意事項。良好的佈局有助於減少振盪。首先，驅動IC應盡可能靠近SiC MOSFET，以確保驅動電路面積盡可能小。其次，高頻振盪是由PCB與MOSFET的寄生電感和寄生電容（主要是Coss）之間的振盪引起的。如下圖所示，紅色虛線表示功率迴路的面積，綠色虛線表示驅動迴路的面積。這些面積越小，SiC MOSFET開關時的振盪就越小。  
    圖5   5. SiC MOSFET驅動器和Si IGBT驅動器有哪些異同？ SiC MOSFET能否採用IGBT插件驅動板的方式驅動？  
無法使用。由於使用了驅動板，驅動電路的寄生電感較大，需要使用較大的驅動電阻進行阻尼，進而導致開關速度降低、損耗增加。如果不使用較大的驅動電阻進行阻尼，Vgs波形會產生較大的振盪，進而導致Vds振盪，進而增加開關損耗。此外，較大的寄生電感本身也會增加驅動電路的阻抗，削弱驅動電路的抗米勒效應能力，導致開關速度降低、損耗增加。  
  6. 並聯 SiC MOSFET 時應該注意什麼？  
為了確保每個SiC MOSFET的驅動電路和主功率電路盡可能對稱，驅動晶片輸出端到每個SiC MOSFET閘極的距離必須相同。 MOSFET需要獨立的閘極電阻Rg以提高一致性。如果並聯的MOSFET共用一個驅動電阻，則閾值電壓最小的MOSFET會先導通，其他MOSFET的閘極電壓Vgs會被箝位在閾值電壓，導致只有閾值電壓最小的MOSFET導通，而其他MOSFET則不導通。關斷過程也是如此。閾值電壓最高的MOSFET會先關斷，電壓會被箝位在閾值電壓，直到MOSFET完成關斷過程。可以看出，使用同一個驅動電阻來驅動所有MOSFET會在開關瞬間產生較大的動態不均勻電流。因此，需要為每個MOSFET配置獨立的Rg，以使每個MOSFET的Vgs解耦，從而增強動態電流分配。靜態均流特性主要取決於MOSFET本身參數的一致性。對於直接並聯連接的MOSFET，需要仔細選擇參數一致的MOSFET。
 
    圖6  
  8. SiC MOSFET TO247-4 的寄生電感比 TO247-3 好多少？有哪些具體參數？  
根據科銳（CREE）公佈的數據，TO247-4封裝的開關損耗僅為TO247-3封裝（600V/40A）的30%。由此可見，TO247-4封裝的優勢非常明顯。  
    圖7  
TO247-3封裝內部的共源電感會降低MOSFET的導通和關斷速度，進而增加開關損耗。而TO247-4封裝則採用獨立的源極驅動接腳，繞過了內部共源電感，避免了其對開關過程的影響，從而達到降低開關損耗的目的。首先，我們來看看導通過程。在典型的雙脈衝實驗中，導通是透過開關上管來實現的。我們主要關注上管的Vgs迴路。當上管導通時，Q1的Id會增加，此時L_SL感應的電壓為正（上）負（下），且其極性與外部驅動電壓（正電壓）相同，這會導致內部MOSFET晶片上的Vgs電壓降低，進而降低MOSFET的導通速度。  
    圖8  
接下來，我們來看看上管的關斷過程。 Q1 關斷，導致 Id 減少。 L_SL 感應出的電壓頂部為負，底部為正。此電壓極性與外部驅動電壓（負電壓或零電壓）相反，會在關閉過程中降低內部 MOSFET 晶片上的 Vgs 電壓。如果 L_SL 上的電壓足夠大，甚至會導致內部 MOSFET 晶片上的電壓由負變為正，從而導致誤導通！因此，L_SL 會減慢關斷過程，從而增加關斷損耗。  
    圖9  
下圖採用TO247-4封裝。由於具有獨立的開爾文源引腳，L_SL上的感應電壓不會影響驅動電路，從而提高開關速度並降低開關損耗。  
   

圖10

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