碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
2021年12月30日 09:34瀏覽：3837 收藏：1
碳化硅MOSFET具有正向導通電阻低、開關速度快、驅動電路筒單等優點。碳化硅MOSFET的漂移區相對較薄，它的正向導通電阻低，導通損耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統硅IGBT，在相同的耐壓和導流能力條件下碳化硅MOSFET的面積可以更小，從而其結電容也更小（相對介電常數：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），較小的結電容使得器件的開關速度更快。
碳化硅MOSFET是電壓型驅動器件，驅動功耗較低，而柵氧結構讓它的柵極輸入阻抗極大，所以碳化硅MOSFET的驅動電路相對筒單，并且從電路拓撲上來說傳統硅IGBT的驅動電路可以直接驅動碳化硅MOSFET，所以碳化硅功率MOSFET被視為硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用圖2.3中的垂直型DMOS來說明。
當柵源之間存在正偏壓，并且高于閾值電壓時，柵極下方在SiC表面形成了反型溝道，從源極到漏極形成了導電通路，MOSFET導電通路的等效電阻由如圖2.3中所示的幾個部分等效電阻串聯組成。
當柵源之間短路或者在柵源之間施加反偏電壓時，溝道被斷開，源極到漏極的電流通路不復存在，漏源之間開始具備承受高電壓應力的條件。
從器件內部來看，正向阻斷的電壓應力絕大部分由Ｎ－漂移區承擔，圖2.4顯示了漂移區－中電－勢分布的示意圖。
碳化硅MOSFET存在反向并聯的體二極管，從圖2.4中可以看到從源極到漏極是PinＰ結構，即ＰＮ結二極管。
在電路應用中，通常在開關器件兩側反向并聯一個二極管，比如在橋臂電路中IGBT管兩端反并一個二極管滿足續流導通的需要。碳化硅MOSFET內部集成的體二極管能起到和反并二極管相同的作用，省掉反并二極管可以簡化電路拓撲，降低器件成本。
可是在實際情況中，直接用SiC MOSFET的體二極菅作為反并二極管會存在一些問題。該體二極管一般是PN結結構，由于碳化硅ＰＮ結二極管的正向門檻電壓很高（2.7V），體二極管續流時將產生較大的功率損耗，同時由于PN結二極管存在反向恢復過程又會進一步增加開關損耗，該損耗還會隨著溫度的升高而增加[69]。
因此，Sic MOSFET的體二極管很少被直接作為反并二極管使用。現在有一些研究團隊通過對MOSFET的結構設計來提高體二極管的性能。
以Cree公司的碳化硅MOSFET（CMF20120D）為研究對象，對其靜態和動態特性進行了測試和分析。碳化硅MOSFET（CMF20120D）的最高耐壓為1200V，室溫下導通電阻為80ma它的輸出特性如圖3.13所示，柵極電壓和結溫的改變都會對器件的導通性能產生影響。
器件的導通性能會隨著柵壓的升高而提高。隨著柵源電壓的升高，柵氧下方的溝道電阻減小，從而器件的導電能力也隨之增加。公式（3.12）可以近似的表明溝道電阻和柵壓之間的關系。
其中Rch為溝道電阻，Lch為溝道長度，Ｚ為器件在ｚ方向的長度，μin為溝道電子遷移率，Ｃox為柵氧層的比電容，Vgs為柵極電壓，Vth為閾值電壓。
器件的導電性能還跟溫度有關
。柵壓較高時，MOSFET的溝道電阻較低，器件的導通能力主要受限于漂移區電阻，而碳化硅半導體內電子遷移率隨著溫度升高而降低，如公式（3.15）所示（μ（300）為結溫為300K時的電子遷移率，λ為小于０的常數，Ｔ為溫度，單位開爾文），
因此漂移區電阻隨著溫度的升高而升高，碳化硅MOSFET的導通能力隨著溫度的升高而降低
。
在實際電路應用中，器件絕大部分情況下都是工作在高柵壓偏置的條件，結溫的升高對器件的應用性能是不利的，在分析器件的功率損耗時，需要以可能的最高工作結溫為條件計算器件的導通損耗，如公式（3.15）所示，
另一方面，柵壓偏置較低時，SiC MOSFET的溝道電阻較大，占了導通電阻的主要部分，此時溝道電阻的溫度特性對器件的性能起主導作用。
同時，柵氧層與碳化硅交界面上的陷阱對碳化硅MOSFET的溝道性能產生影響，具體可以分為對閾值電壓的影響，和直接對溝道電阻的影響。首先，界面態對閾值電壓的影響。在柵壓較低的條件下，MOSFET的反型溝道中的電子數目有限，器件的導通能力主要受限于溝道電阻，對碳化硅MOSFET來說，在低柵壓情況下反型溝道中的電阻數目隨著溫度的升高而增加，原因在于閾值的溫度依賴性，圖3.14展示了MOSFET轉移特性隨溫度的變化。柵氧和SiC的交界面上的陷阱在電子經過其附近時會概率性的捕獲電子，這些被捕獲的電子就會對柵壓產生影響，造成閾值電壓升高。
隨著溫度升高，電子更加活躍，被捕獲的電子數量減少，所以閾值電壓受到的影響減小，從而導致實測閾值電壓隨著溫度升高而下降。在柵源電壓相同的情況下，較小的閾值電壓對應的溝道電阻也更小，如公式（3.14）所示的閾值電壓與溝道電阻的關系，因此器件總的導通性能得到增強。
其次，是界面態對溝道電阻的直接影響。陷阱中的電子產生的電場會阻礙溝道電子的通行，溫度升高讓陷阱中的電子減少，這種阻礙作用也隨之變弱，溝道電阻相應的就減小了，所以MOSFET的正向導通電阻也隨之減小。
綜合以上兩點，碳化硅MOSFET在低柵壓時，其導通能力隨著溫度的升高而提高。
碳化硅MOSFET的結電容分為Cds、Cgs和Cgd，它們在MOSFET內的等效位置如圖2.8所示，Cds和Cgd等效電容中間的介質層是耗盡區，因此這兩個結電容會隨著阻斷電壓的增加而明顯的減小，而Cgs是氧化層兩端柵極和源極之間的等效電容，介質為氧化層，它的距離幾乎不會隨著阻斷電壓變化，所以Cgs的值不會隨著阻斷電壓發生變化。
碳化硅MOSFET的C-V特性如圖3.15所示，Ｃoss為輸出電容等于Cds＋Cgd該電容在零偏壓時大約3nF，之后隨著漏源偏置電壓的升高而降低；Ciss為輸入電容等于Cgs＋Cgd，該電容在零偏壓時大約為3nF，由于Cgs》Cgd所以幾乎不會隨著漏源偏置電壓變化；Crss為反向轉移電容Cgd，該電容在漏源零偏壓時約為1.2nF，之后隨著漏源偏置電壓升高而降低。
開關器件的結電容和開關過程緊密相關，因為開關過程一方面是溝道開通和關閉的過程，另一方面也是結電容充放電的過程。
開關器件的關鍵在于柵壓的控制，開關速度和輸入電容Ciss相關。以開通過程為例，柵壓從低電平升高到高電平并穩定，伴隨著Cgd和Cgs的充電過程，Cgs的充電電荷為
在充電電流一樣的情況下，顯然Cgs和Cgd越小，充電時間越短。碳化硅MOSFET的結電容非常小，所以開關速度很快，但是高開關速度會給器件帶來更大電應力，比如電壓過沖，電流振蕩等問題，因此碳化硅MOSFET的性能利用需要更優化的電路設計來支持。
SiC MOSFET的動態特性通過圖3.2的雙脈沖測試電路進行測試，測試電路和器件的具體參數如表3.1所示。器件在不同溫度條件下（25°Ｃ，100°Ｃ，150°Ｃ）進行開關特性的測試，測試結果如圖3.16所示。
從結果中可以發現，碳化硅MOSFET的電壓和電流變化波形基本符合上述理想開關過程的分析，不同的是在電壓和電流變化結束的時候實測波形存在比較大的振蕩，這個振蕩主要是由結電容和寄生電感形成諧振產生。開通過程中，電流Id達到負載電流值的時候，電流變化率發生跳變，從而引起寄生電感Ld＋Ls＋L1和二極管結電容CD的振蕩，具體電路參看圖3.4，因為共源極電感Ls的存在，使得Vgs也受影響產生振蕩。關斷過程中，電壓上升到最高點后，MOSFET的輸出電容Ｃoss和引線電感以及二極管的等效串聯電阻發生阻尼諧振；電流下降到零后，電流變化率發生跳變，引線電感和二極管結電容發生諧振，同樣由于共源極電感Ls，Vgs隨之振蕩。
隨著結溫的升高，CMF20120D的開通速度變快而關斷速度變慢這是由于結溫影響了轉移特性（圖3.14），閾值電壓和＆值都隨著溫度改變，關于轉移特性隨溫度變化的特性將在第四章進行詳細介紹。通過對開關波形的計算，可以得到不同溫度下器件的損耗，如圖3.17所不。由于開通和關斷過程隨結溫的變化不一樣，導致損耗也不一樣，開通損耗隨著結溫升高而降低、關斷損耗隨著結溫升高而升高，總開關損耗隨著結溫升高而降低。
SiC MOSFET是最有潛力的碳化硅電力電子器件，以往的研究表明SiC MOSFET在開關電路應用中具有優良的性能，比如耐高溫、開關速度快、工作頻率高等。為了發揮出SiC MOSFET的高性能，器件的外部電路和系統設計提出更多、更高的需求。
在高溫應用中，除SiC MOSFET外，其周邊的其他元器件和封裝材料都需具備耐高溫特性，特別是在電力電子裝置朝高功率密度方向發展的趨勢下，系統熱設計成為和電設計相同重要的內容，同時也增加系統的設計難度和設計成本。
SiC MOSFET開關速度相對硅功率器件要快很多，高速開關使得SiC MOSFET的開關損耗降低，但同時也會增加器件應力，高di/dt在功率回路的寄生電感上產生了高壓降并疊加到器件兩端，在半橋電路應用中高dv/dt還會引起串擾現象，使得本應關斷的器件可能再次開啟，造成開關損耗大大增加甚至導致器件短路，若要安全并高效的利用好SiC MOSFET，需要對功率回路和驅動回路進行更加優化設計。
高頻應用，意味著更高的開關損耗，損耗帶來器件的溫升和整機效率的降低，而減小開關損耗和提高系統散熱能力是主要的解決途徑。
減小開關損耗的方法，一是優化應用電路進一步提高開關速度，二是采用軟開關，兩者都是提高了設計難度，同時也增加了電路的復雜度
總結上面的SiC MOSFETＴ高性能帶來的問題，答案可能會集中在緊湊的布局設計和良好的導熱設計上，而這兩點在SiC MOSFET分立器件中都無法很好的解決，只有模塊應用才能得到比較好的綜合性能。
此外，目前關于SiC MOSFET的一個熱門應用研究是基于電動汽車電機驅動的應用，電機驅動的輸出功率較大，即使小型電動汽車也有幾十千瓦的功率等，所以單個SiC MOSFET是無法達到這樣的功率容量要求的，只有多芯片并聯的方式才能夠滿足功率需求。
SiC MOSFET目前依然價格偏高，盡管在大功率應用中可以通過冷卻系統的成本降低來減少系統總成本，但在中低功率系統中很難從其他方面（比如散熱系統簡化、無源器件減小、運行損耗降低等等）來平衡SiC MOSFET芯片的成本增加，因此從降低系統成本角度出發，對于特定功率容量的模塊，芯片數量的優化是一個需要考慮的方面。
功率模塊是SiC MOSFET的最重要封裝形式，不僅可以較容易實現功率擴容，還便于開關過程中高頻回路的優化設計，同時便于提高整機的功率密度，更好的發揮出SiC MOSFET的性能優勢。除此之外，功率模塊的散熱能力相對于分立器件要高很多，因此非常有利于在電動汽車中電機驅動方面的應用。
電動汽車的電機驅動的電路結構一般有兩種。一種是單級結構，電能從蓄電池中出來后經過三相逆變器供給電機，這種結構相對簡易，但電機驅動電壓受限于蓄電池電壓；另一種是兩級結構，電能從蓄電池中出來后先經過第一級電路DC/DC變換器，將電壓升高后再作為第二級電路三相逆變器的輸入電壓，這種結構能夠提高電機驅動電壓、減小電機損耗、提高整機效率。
本章將以兩級結構電機驅動中DC/DC變換器（Boost變換器）為應用平臺，并以電動汽車中的電機散熱環境（環境溫度80℃）作為主要溫度條件，進行SiC MOSFET功率模塊的電路設計、熱設計、和硅IGBT性能對比、并聯芯片數量優化等方面的研究。
從模塊基本框架上來說，功率模塊主要由圖5.1中幾個部分構成，底部基板、陶瓷襯底（DBC）、器件、密封膠、導電端子（銅支架）、塑料外殼（沒有在圖中）。這些部件通過不同的方式緊密而牢固的相互組合在一起，構成功率模塊。
按照功率模塊的制作工藝步驟，器件、陶瓷襯底和底部基板先連接。陶瓷襯底的兩面有薄金屬層，上表面金屬層通過焊料和器件、導電端子相連，同時上表面金屬層還有模塊內部電路導線的功能；下表面金屬通過焊料和底層基板相連。
上述三者連接完成后，半導體器件的正表面通過引線鍵合、壓接等方式和電路連接，圖5.1中標出的是引線鍵合的方式。
引線鍵合之后，模塊的電路部分已經完成了連接，再用密封膠覆蓋
陶瓷襯底正表面，目的是保護器件和絕緣。
至此模塊內部連接完成，外部用塑料外殼封裝，導電端子用外殼過孔中出來作為模塊的電氣連接端口，導電端子包括了功率端子和信號端子。
功率模塊各個構件的材料屬性非常重要，本文沒有深入研究過各種材料的特性，僅簡要介紹幾種主流材料以及文中設計功率模塊所涉及的材料。
在這些部件中，最主要是器件、陶瓷襯底。器件是模塊的核心，陶瓷襯底是器件散熱、絕緣以及電回路的襯底基礎。器件損耗產生的熱，絕大部分通過陶瓷襯底經底部基板耗散出去，同時陶瓷襯底的熱阻占了器件結到模塊外殼熱阻的大部分，陶瓷襯底以及上下表面焊料層也是功率模塊可靠性問題的重點。所以陶瓷襯底的選擇是功率模塊設計中除功率器件本身之外最重要的部分。
對于電動汽車應用的功率模塊，A1203和AIN是常見的襯底材料，前者是傳統硅IGBT功率模塊中常用的襯底材料，價格低廉；后者導熱性能好，機械強度也較高，而且熱膨脹系數（CTE）和SiC材料的CTE(3ppm/°Ｃ）更接近，所以導熱性和可靠性會更高，但是價格較高。兩者的性能對比如表5.1所示。
焊接材料主要用于器件與陶瓷襯底和底部基板與陶瓷襯底兩處的連接，考慮到模塊工作時的溫度分布，本文在兩處采用了兩種焊錫材料。器件與陶瓷襯底之間溫度相對較高，采用的焊錫材料也是熔點較高的錫銅焊料（~225°Ｃ），陶瓷襯底與底部基板之間溫度190°Ｃ）。
半導體芯片正面引線鍵合所用的鍵合線有多種材料，常見的有鋁（Al）、金（Au）、銅（Cu），本文中采用了ＡI鍵合線，由于商業芯片正表面基本為Al層，所以鍵合線和芯片之間鍵合程度高。此外，鍵合線的線徑由材料和電流容量決定，根據經驗公式
可以得到鍵合線線徑，其中Imax為鍵合線上最大安全導通電流值，k為材料相關系數，d為線徑（英制單位），參看表5.2。比如每個芯片最大導通60A，每個芯片可以連接三根鍵合線，那么每根鍵合線20A，最大長度超過0.1cm，那么每根鋁線的線徑都要大于12mil。
密封膠的選取要考慮半導體芯片的工作性能，本文采用的SiC MOSFET芯片最高耐壓1200V，芯片厚度為0.2mm，所以密封膠的絕緣強度應該不小于6kV/mm，另外芯片最高工作結溫150°Ｃ，所以密封膠的最高有效溫度要大于150°Ｃ。最后選擇一種硅酮密封膠，固化后有效溫度范圍-45－200°Ｃ，絕緣強度為19.7kV/mm。
導電端子和底部基板需要金屬材料，銅的導熱和導電性能都比較好，因此本文在兩處都采用了銅。
文章所述之功率模塊的基本結構如圖5.2所示，主要構成為：芯片為SiC MOSFET或者碳化硅二極管，襯底陶瓷用0.62ｍｍ氮化鋁（DBC工藝），焊料分別為錫銅焊料和錫鉛焊料（厚度大約都為0.2mm），鍵合線為鋁線（功率線徑12～15mil,，信號線徑5mil５），密封膠為硅酮電子密封膠。
來源：周偉成，碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究【D】，浙江大學，2019。
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