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過去幾年出現并加速發展的數字化和能源效率等全球趨勢，給制造商和半導體市場帶來了新的挑戰。開發出助力實現高效電力管理系統的功率半導體器件，目前也已提上業界議程。
功率半導體作為電力系統的重要組成部分，是提升能源效率的決定性因素之一。電源、逆變器等電力系統的設計人員，需要逐步達成具有挑戰性的效率目標，同時還要控制成本。成本因素發揮的重要作用不只是增加制造商盈利。如果太陽能逆變器、高效電源和電動汽車變得更便宜，那將促進人們采用更綠色環保的基礎設施，對我們的地球乃至人類的未來產生積極影響。
從設計人員的角度來看，成本與效率二者之間的合理平衡至關重要。除常規的硅之外，最近還出現了新技術和新材料，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等，它們有望實現更高效率及功率密度。事實上，寬禁帶半導體因其材料的特性擁有巨大發展潛力，可以帶來開創性的性能。它們能夠實現更高擊穿電壓，工作頻率更高、熱性能方面更加靈活，并擁有針對硬換流應用的穩健性。所有這些特性使其較之硅基解決方案更適合新的高效拓撲或高密度設計。
碳化硅和氮化鎵技術的“甜區”在哪里？
如圖1所示，超結MOSFET或IGBT等硅基產品可用于很寬的電壓范圍（從幾伏到幾百伏不等），適合于多個功率等級，而基于碳化硅的產品則適用于大于等于650 V的電壓等級（突破硅的限值，達到3 kV以上功率等級），基于氮化鎵的器件更適合于650 V以下的電壓等級。而當工作頻率增加時，碳化硅和氮化鎵都將逐漸優于硅。應用需求和設計目標決定了首選技術。
圖1：技術定位——硅、碳化硅和氮化鎵
就這三種技術而言，并僅著眼于分立FET產品，英飛凌擁有豐富的600 - 650 V產品系列（CoolMOS™硅超結MOSFET、CoolSiC™碳化硅MOSFET和CoolGaN™氮化鎵常關增強型模式HEMT）。盡管SJ MOSFET以非常經濟劃算的方式滿足了當前對能源效率和功率密度的大多數要求，但是，如有散熱或超高密度等特殊設計要求，碳化硅和氮化鎵器件為最佳選擇。由于相關器件堅固耐用，CoolSiC™ MOSFET具有出色的熱性能，CoolGaN™ HEMT適用于很高的工作頻率，可以將功率密度提升到非常高的水平。
未來，WBG產品有望進一步加速和替代硅基器件，不過，可以預見，這三種技術仍將長期共存。由于碳化硅易于使用，而且從超結MOSFET和IGBT過渡相對容易，因此在某些應用中采用碳化硅的速度會更快一些。
英飛凌CoolSiC™ MOSFET旨在實現卓越性能
在采用正確設計方法的情況下，碳化硅技術是要求卓越性能的應用的最佳選擇。
圖2：英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件功能與特性一覽
不過，晶圓面積與導通電阻積是給定技術的主要基準參數，找到主要性能指標（即，電阻和開關損耗）與實際工作性能二者之間的平衡仍然很重要。開發出CoolSiC™ MOSFET與匹配的EiceDRIVER™柵極驅動器為的是充分利用碳化硅的預期性能：通過耐用性、可靠性與易用性優勢帶來卓越性能。了解可用的產品系列，敬請參閱圖2。
圖3：英飛凌基于碳化硅的CoolSiC™產品系列
談到可靠性，碳化硅MOSFET在柵極氧化層（GOX）有關鍵的潛在故障點，柵極氧化層為隔離柵極和源極的層。碳化硅晶體的生長會在柵極氧化成結構中產生缺陷，而那些穿透柵極氧化層的缺陷會導致局部變薄，最終增加電場，使其超過介電擊穿電壓，導致最終摧毀器件。
為避免這種情況，CoolSiC™ MOSFET基于溝槽結構，這具備兩大優勢：
· 由于結構方向，GOX中缺陷較少
· 由于具備更強的耐用性和更高的可實現電場強度（支持在更高電壓下進行測試，提高缺陷篩選的有效性），所以，GOX厚度增加，而不會影響到性能（可選擇濃度更高的GOX，不會對Ron產生影響）
談到性能，CoolSiC™ MOSFET具有非常低的開關損耗和傳導損耗，它們通過相對平坦的RDS（on）與溫度的依賴關系得到改善。特別是，抑制寄生電容產生的門極誤開通的穩健性不僅對開關損耗有積極影響，而且在易用性方面也有重大意義。由于寄生電容導致誤開通的傾向性很低，CoolSiC™ MOSFET是市面上唯一可以在0 V時可靠關斷的器件，不需要使用負電壓（雖然該器件也可以這樣使用）。因此，該驅動方案可以很簡單，并與超結MOSFET驅動解決方案完全兼容。
關于驅動電壓范圍，VGS范圍的上限與最大容許電壓之間需要有一定的電壓裕度（VGS， max；在數據手冊中指定）。該裕度保證緩沖區可以防止可能引起應力和損壞柵極氧化物的過沖電壓。這是CoolSiC™技術為確保可靠性而采取的額外措施。
未完待續….
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