2024 年 3 月 14 日

    在之前一篇题为《功率电子器件从硅(Si)到碳化硅(SiC)的过渡》的博文中,我们探讨了碳化硅(SiC)如何成为功率电子市场一项“颠覆行业生态”的技术。如图1所示,与硅(Si)材料相比,SiC具有诸多技术优势,因此我们不难理解为何它已成为电动汽车(EV)、数据中心和太阳能/可再生能源等许多应用领域中备受青睐的首选技术。

     

    图1:硅与碳化硅的对比

     

    众多终端产品制造商纷纷选择采用SiC技术替代硅基工艺,来开发基于双极结型晶体管(BJT)、结栅场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的电源产品。然而,Qorvo研发的SiC“共源共栅结构”FET器件(如图2所示)使这项技术更进一步。这些器件基于独特的“共源共栅结构”电路配置,将一个常开型SiC JFET器件与一个硅基MOSFET共同封装,形成一个集成的常关型SiC FET器件。在接下来的段落中,我们将详细阐述 Qorvo 研发的 SiC FET(共源共栅结构FET)相较于同类SiC MOSFET的显著优势。.

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    图2:Qorvo SiC FET(“共源共栅结构”FET)器件结构框图

     

     

    那么,让我们先来回顾一下与硅基器件相比,采用SiC可获得哪些优势

    SiC MOSFET或SiC FET与硅基器件相比拥有几个显著优势。首先,SiC作为一种宽带隙材料,具有更高的击穿电压,因而可以使用更薄的器件来支持更高的电压。除此之外,SiC相较于硅基器件还有以下优势:

    • 对于给定的电压和电阻等级,SiC可以实现更高的工作频率,因此可以减少无源器件的体积,从而减小整个系统的尺寸及成本
    • 对于更高的电压等级(1200V或更高),SiC能够以较低的功率损耗实现高频开关;而在如此电压等级下仍能胜任的硅基器件实际上几乎不存在
    • 在任何给定的封装中,SiC相对硅基产品具有更低的导通电阻和开关损耗
    • 在与硅器件相同的设计中,SiC能够让客户获得更高的效率、更出色的散热性能,和更高的系统额定功率

    这些优势同样体现在Qorvo SiC FET的性能上。作为一种更新且功能更强大的器件,Qorvo SiC FET针对多种功率应用进行了优化,并带来了以下额外收益:

    • Qorvo SiC FET的架构采用标准硅栅极驱动器,这使得从硅到SiC的过渡更加顺畅,同时也为设计师提供了更大灵活性
    • 在给定封装中,具有行业最低的漏-源导通电阻 RDS(ON),可最大程度提升系统效率
    • 更低的电容允许更快的开关速度,进而实现更高的工作频率;这进一步减小了电感器和电容器等大体积无源元件的尺寸
    • 与硅基IGBT相比,SiC FET在更高电压等级(1200V或更高)能够实现更高的工作频率。硅基IGBT虽然传统上服务于这一细分市场,但通常速度较慢,仅在较低频率下使用,因此开关损耗较高
    • Qorvo SiC FET器件能在给定RDS(ON)的条件下获得更小的裸片尺寸,并减轻SiC MOSFET产品常见的栅极氧化物可靠性问题

    SiC MOSFET vs. Qorvo SiC FET:深入对比

    让我们花一些时间更深入地了解SiC MOSFET与Qorvo SiC FET两种功率技术间的差异。从下面的图3中,我们会发现SiC MOSFET技术不同于Qorvo的集成SiC FET——这是精心设计的结果。Qorvo利用SiC JFET消除了SiC MOSFET的栅极氧化层,进而消除了沟道电阻,让裸片尺寸更为紧凑。

    Qorvo SiC JFET较小的裸片尺寸成为其差异化优势的一个关键所在,并通过图4所示的‘RDS(ON) x A’(RdsA)品质因数(FOM)得到最佳体现。这意味着对于给定的芯片尺寸,Qorvo SiC FET提供了更低的导通电阻额定值;换言之,在相同的RDS(ON)条件下,Qorvo SiC FET所需的SiC裸片尺寸更小。Qorvo凭借在RdsA FOM方面的卓越表现树立了行业领先地位;其所提供的超低额定电阻产品能适用TOLL和D2PAK等相对较小的行业标准封装,让这一点得以充分展现。

     

     

     

    图3:SiC MOSFET与Qorvo SiC FET的比较

     

    Qorvo的SiC FET与SiC MOSFET相比具有更低的输出电容Coss。输出电容较低的器件在低负载电流下开关速度更快,电容充电延迟时间更短。这意味着,由于减少了对电感器和电容器等较大体积无源元件的需求,使得终端设备能够实现更小的体积、更轻的重量、更低的成本,并获得更高的功率密度。

     

    图4:Qorvo SiC FET与SiC MOSFET竞品对比

     

    SiC MOSFET还面临以下技术挑战:

    • SiC MOS沟道电阻高,导致电子迁移率较低
    • 在栅极偏压较高的情况下,Vth可能发生漂移;这限制了栅极到源极的电压驱动范围
    • 体二极管具有较高的拐点电压,因此需要同步整流

    然而,采用Qorvo SiC FET后,上述缺陷得以根本解决,原因如下:

    • SiC JFET 结构的器件上摒弃了MOS(金属氧化物)结构,因此器件更加可靠
    • 相同芯片面积下,漏极至源极电阻更低
    • 电容更低,相当于更快的开关转换和更高的频率

     

    主要结论

    尽管市场上可供选择的SiC功率半导体种类繁多,但在某些特定应用中,一些器件的表现确实比其它器件更为出色。Qorvo的集成SiC“共源共栅结构”FET技术便是其中的佼佼者;其凭借低RDS(ON)、低输出电容,和高可靠性等独特优势提供了卓越性能。这些品质因数推动Qorvo的SiC FET技术在其它技术无法企及的领域大放异彩。此外,SiC FET的附加性能使其在AC/DC电源单元、DC/DC储能和可再生能源应用,以及电动汽车快速充电器中实现更高的效率。

    诚邀您访问我们的SiC 电源技术网站,获取更多关于SiC应用的产品信息、技术资源和框图。

     

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    Qorvo博客团队、Adam Castaldo、Dixie-ann Sinnette,和David Schnaufer

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