如何將第三代 SiC MOSFET 應用於電源設計以達到更高的效能與效率

針對工業馬達驅動器、AC/DC 和 DC/DC 逆變器／轉換器、電池充電器、儲能系統等電源應用，業界鍥而不捨地追求更高的效率、更小的尺寸、更強的效能。這些嚴格的效能要求已經超越了矽 (Si) MOSFET 的能力，於是新型的碳化矽 (SiC) 電晶體架構也就應運而生。

雖然這類較新的元件可在關鍵效能指標方面提供顯著優勢，但礙於各種限制和應用的不確定性，聰明的設計人員都對第一代 SiC 元件持保留態度。到了第二代元件，規格有所提升，我們對於元件細節也有了更深入的了解。隨著 SiC MOSFET 效能提升，且上市時間的壓力加劇，設計人員開始採用這些較新的元件來達成產品目標。最近，第三代元件的問世，更說明 SiC 架構的功率元件更臻成熟。這些元件在各項關鍵參數上都有所改善，同時也延續了前幾代的導入設計體驗和相關的專業知識。

本文會將 Si 與 SiC 進行比較，並探討第三代 SiC MOSFET 的開發歷程，以及業界為何轉往第三代 SiC MOSFET。接著，我們會以 Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba) 的實際產品為例，說明這些元件如何協助設計人員在電源系統設計方面取得重大進展。

矽 vs SiC

在過去的數十年中，矽 MOSFET 已經改變電源系統在個層面的設計，包括從基本的電源、逆變器再到馬達驅動等。如同絕緣閘雙極電晶體 (IGBT，一種功能相似但結構及屬性截然不同的半導體)，切換能力經過最佳化的 Si MOSFET 將我們從基於線性拓撲的傳統、低效率電源轉換及管理，帶往更高效率、更小巧的切換式控制。

這些設計大多使用某種形式的脈寬調變 (PWM)，在閉迴路回授配置中提供並維持所需的電壓、電流或功率值。矽 MOSFET 越來越受到重用的同時，要求也跟著變多。此外，新的效率目標 (多是根據法規要求)、電動車市場和更聰明的馬達控制、再生能源的功率轉換與相關的儲能系統，都催促著這些 MOSFET 要更上一層樓。

結果，大量的研發努力後，矽 MOSFET 的效能確實獲得改善，但研究人員也意識到這些努力已經到了效益遞減的地步。幸好，理論上還有一個替代方案：使用 SiC 而非純矽作為基材的功率切換元件。

為何要使用 SiC？

基於許多深層物理原因，SiC 有三個主要的電氣特性和純矽材大相逕庭，且每個特性都能帶來運作上的優勢；另外，還有其他一些較微妙的差異 (圖 1)。

圖 1：SiC、Si、氮化鎵 (GaN) 固態材料的關鍵材料特性概略比較。(圖片來源：Researchgate)

三個主要特性：

• 更高的臨界崩潰電場電壓 (大約為 2.8 MV/cm，矽為 0.3 MV/cm)，因此很薄的一層，就可在指定電壓額定值下運作，大幅降低汲源極「導通」電阻 (R_DS(on))。
• 更高的導熱率，能在截面積上達到更高的電流密度。
• 更寬的能隙，能讓高溫時的漏電流變得更低 (能隙是指半導體與絕緣體中，價帶頂端與導帶底部之間的能量差異，以 eV 為單位)。因此，SiC 二極體和場效電晶體 (FET) 常常稱為寬能隙 (WBG) 元件。

綜上所述，與純矽結構相比，SiC 元件可以阻斷高達十倍的電壓，切換速度可以快約十倍，在 25°C 時的 R_DS(on) 為一半以下，但仍使用相同的裸晶面積 (當然，以上都是近似值)。此外，由於少了有害的尾電流，SiC 元件的關斷切換相關損耗較低。同時，由於能在更高的溫度下工作 (SiC 約為 200°C，矽為 125°C)，SiC 元件的散熱設計和熱管理變得更為容易。

得力於其效能屬性和發展，SiC 元件如今已在功率 vs. 速度應用矩陣中登上主導地位，與 IGBT、矽 MOSFET、GaN 元件並駕齊驅 (圖 2)。

圖 2：SiC MOSFET 基於其效能屬性，非常適合用於涵蓋各種功率和頻率額定值的眾多應用。(圖片來源：Toshiba)

從基礎 SiC 材料科學和元件物理邁向商用 SiC MOSFET，這一路走來十分艱辛 (圖 3)。經過無數的研究和生產努力，第一款 SiC 元件「肖特基二極體」終於在 2001 年問世。此後的二十年裡，業界成功開發並量產第一代、第二代、第三代 SiC MOSFET。每一代都在特定參數上提供針對性的改進，也做出一些不同的取捨。

圖 3：商用 SiC 元件的發展始於 2001 年問世的第一款商用 SiC 肖特基二極體。(圖片來源：《IEEE Transactions on Industrial Electronics》，2017)

請注意，術語一定要分清楚：和前代的純矽產品一樣，以 SiC 為基礎的 FET 也是 MOSFET。廣義來說，兩者內部的實體結構類似，而且都是具有源極、汲極和閘極連接的三端子元件。兩者的差異正如其名所示，SiC 架構 FET 採用 SiC 作為基材，而非單純只用矽材。

第一代和第二代打頭陣

切換式元件的效能可透過諸多參數表現。靜態參數種類繁多，包括最大工作電壓、最大額定電流，以及兩個靜態效能指數 (FoM)：R_DS(on)、最大工作溫度，這些都與裸晶尺寸和封裝的功率處理能力有關。

作為切換元件，動態參數也非常關鍵，因為這是評估切換損耗的必要資訊。最常用的動態 FoM 是 R_DS(on) 和閘極電荷的乘積 R_DS(on) × Q_g，不過逆向恢復電荷 Q_rr 也越來越重要。要為切換元件正確提供電流、吸收電流，並且不產生過衝、振鈴效應或其他失真，這當中所需的閘極驅動器尺寸及能力，主要是由這些 FoM 決定。

第一代 SiC 元件的使用率和市場成長受到可靠度問題的拖累。其中有個問題涉及 PN 二極體，其位於功率 MOSFET 的源極和汲極之間。施加在 PN 二極體上的電壓會使其通電，導致導通電阻發生變化，降低元件的可靠性。

Toshiba 的第二代產品就將肖特基能障二極體 (SBD) 嵌入到 MOSFET 中，修改了基本的 SiC 元件結構，因此大幅改善此問題 (圖 4)。如此一來，可靠性提高了一個數量級以上。新結構將 SBD 與單元內部的 PN 二極體並聯放置，避免 PN 二極體通電。電流流經嵌入式 SBD，因為其導通狀態電壓低於 PN 二極體，因此可抑制導通電阻的一些變化，以免 MOSFET 可靠性降低。

圖 4：典型 SiC MOSFET 沒有內部肖特基能障二極體 (SBD) (左)，但有 SBD 的 SiC MOSFET (右) 就可以抑制寄生 PN 二極體的通電。(圖片來源：Toshiba)

具有嵌入式 SBD 的 MOSFET 已投入實際運用，但僅限於高電壓產品，例如 3.3 kV 裝置，這是因為嵌入式 SBD 最終會導致導通電阻上升到只有高電壓產品才能承受的程度。Toshiba 調整了多項元件參數，發現 MOSFET 中的 SBD 面積比例是抑制導通電阻增加的關鍵。藉由 SBD 比例最佳化，Toshiba 設計出一款 1.2 kV 級 SiC MOSFET，可靠性顯著提高。

然而，與許多增強功能一樣，有得必有失。雖然新的元件結構大幅提高了可靠性，但也對兩個 FoM 產生不利影響。不僅提高標稱 R_DS(on) 及 R_DS(on) × Q_g，也導致 MOSFET 的效能降低。為了補償並降低導通電阻，第二代 SiC MOSFET 擴大了裸晶面積，但成本也因此增加。

更臻成熟的第三代

體認到這個問題後，Toshiba 開發出第三代 SiC MOSFET 元件，即TWXXXN65C/TWXXXN120C 系列。這些元件將電流擴散層的結構最佳化，藉此縮小單元尺寸，並提供更高的額定電壓、更快的切換、更低的導通電阻。

導通電阻的一部分則透過降低擴散電阻 (R_spread) 來降低。SBD 電流也可提升，方法是將氮注入到 SiC MOSFET 的寬 P 型擴散區 (P-well) 底部。Toshiba 也縮小 JFET 區域並注入氮來降低回授電容量和 JFET 電阻。如此一來，回授電容量減少，但導通電阻不會增加。藉由最佳化的 SBD 位置，也能在不引起導通電阻波動的情況下，達到穩定的操作。

目前，此系列包括 650 V 和 1,200 V 的 SiC MOSFET，專為高功率工業應用而設計，例如 400 V 和 800 V AC/DC 電源供應器、光電 (PV) 逆變器、不斷電系統 (UPS) 的雙向 DC/DC 轉換器。650 V 和 1,200 V SiC MOSFET 均採用業界標準的三引線 TO-247 封裝 (圖 5)。

圖 5：Toshiba 的 650 V 和 1200 V 第三代 SiC MOSFET 採用標準 T0-247 封裝，非常適合多種電源轉換、控制與管理應用。(圖片來源：Toshiba)

在這些第三代 SiC MOSFET 中，R_DS(on) × Q_g FoM 與 Toshiba 的第二代元件相比降低了 80% (大幅下降)，同時切換損耗也降低約 20%。內建的肖特基能障二極體技術亦提供超低順向電壓 (V_F)。

MOSFET 還有其他相關的導入設計細節。以 V_GSS 為例，V_GSS 是在汲極和源極短路時，可以在閘極和源極之間施加的最大電壓。對於第三代 SiC 元件，V_GSS 範圍為 10 V 至 25 V，建議值為 18 V。寬廣的 V_GSS 額定值有助於簡化設計，同時提高設計可靠性。

此外，低電阻和較高的閘極閾值電壓 (V_GS(th)，MOSFET 通道開始導通的電壓) 有助於避免故障，例如尖波、突波和過衝而導致的意外啟動。此電壓範圍為 3.0 V 至 5.0 V，有助於確保可預測的切換效能和最小的漂移，同時達到簡單的閘極驅動器設計。

深入了解 650 V 和 1200 V 第三代 SiC MOSFET

透過 650 V 和 1200 V 這兩款位於系列前後兩端的元件，就可看出此系列寬廣的能力範圍。在實體封裝、引腳配置、線路圖符號上都相同 (圖 6)，唯獨細節有差。

圖 6：Toshiba 第三代 SiC MOSFET 系列的所有成員都具有相同的實體配置和線路圖符號；請留意符號中整合的肖特基能障二極體。(圖片來源：Toshiba)

其中一款 650 V 元件是 TW015N65C，是額定值為 100 A 和 342 W 的 N 通道元件。典型規格值包括 4,850 pF 的輸入電容量 (C_ISS)、128 nC 的低閘極輸入電荷 (Q_g)、僅 15 mΩ 的標稱 R_DS(on)。

除了表格中列出的靜態和動態參數的最小值、典型值、最大值之外，規格書還有圖表可顯示關鍵參數的效能在溫度、汲極電流、閘源極電壓 (V_GS) 等因素下的表現。舉例來說，圖 7 就指出 R_DS(on) 值與溫度、汲極電流 (I_D)、閘源極電壓 V_GS 之間的關係。

圖 7：TWO15N65C 在不同觀點下 (包括汲極電流、環境溫度、V_GS) 所展現的導通電阻特性曲線。(圖片來源：Toshiba)

圖 8 顯示 1200 V 元件在相同規格下的曲線圖，例如 TW140N120C 這款 20 A、107 W 的 N 通道元件。此 SiC MOSFET 具有 6000 pF 的低 C_ISS、158 nC 的閘極輸入電荷 (Q_g)、140 mΩ 的 R_DS(on)。

圖 8：TW140N120C 的導通電阻特性曲線圖。(圖片來源：Toshiba)

Toshiba 提供的十款第三代 SiC MOSFET 包括五種 650 V 元件和五種 1200 V 元件。在 25°C 時，導通電阻、電流和功率額定值如下：

650 V：

• 15 mΩ、100 A、342 W (TWO15N65C)
• 27 mΩ、58 A、156 W
• 48 mΩ、40 A、132 W
• 83 mΩ、30 A、111 W
• 107 mΩ、20 A、70 W

1200 V：

• 15 mΩ、100 A、431 W
• 30 mΩ、60 A、249 W
• 45 mΩ、40 A、182 W
• 60 mΩ、36 A、170 W
• 140 mΩ、20 A、107 W (TW140N120C)

結論

與純矽元件相比，碳化矽 MOSFET 在關鍵切換參數方面具有顯著改進。相較於前幾代產品，第三代 SiC 元件提供更好的規格和 FoM、增強了可靠性、更妥善地因應閘極驅動器的需求，也對必要的導入設計細節有更深入的洞察。透過這些 SiC MOSFET，電源系統設計人員可以獲得額外的核心資源來達到更高的效率、更小的尺寸，並且提升整體效能。