一种新型的耐高温碳化硅超结晶体管

  基于硅（Si）半导体材料的功率器件的性能逐渐接近材料理论极限，很难通过技术革新和工艺改进获得器件性能的大幅度提升，以碳化硅SiC(Silicon Carbide)为代表的宽禁带半导体材料制作的新型功率器件应运而生。与传统硅器件相比，碳化硅功率器件具有导通电阻低、击穿电压高、结-壳热阻低、极限工作温度高等优点。目前商业化的SiC功率器件主要有SiC MOSFET和SiC JFET，但SiC MOSFET存在栅极氧化层可靠性问题，SiC JFET存在某些类型是常通器件不便于使用和温度系数偏大等问题。传统Si BJT由于驱动复杂、存在二次击穿等问题，已逐渐淡出电力电子变换器应用场合。但随着SiC器件研究热潮的掀起，SiC BJT表现出优异的性能。SiC SJT是超高电流增益的常断型SiC三极管，不存在传统Si三极管的二次击穿问题，其反向偏置安全工作区呈矩形，具有很低的导通压降Vds（on），开关速度快，工作频率可达数10 MHz，且具有300℃以上高温工作能力。这种晶体管应用于功率电子电路，可以显著提高整机效率，缩小系统尺寸，减少元件数，减轻散热负担。
 
  为了正确理解和应用SiC SJT，本文对SiC SJT的特性与参数进行了深入的分析，并对目前业界最好水平的几种1200V耐压Si IGBTs进行了针对性比较研究。这3种Si IGBT为①NPT1：125℃/1200V/14A定额硅非穿通型IGBT；②NPT2：150℃/1200V/10A定额硅非穿通型IGBT；③TFS：175℃/1200V/15A 额定硅TrenchStop IGBT。3 种IGBT的封装内都集成了反并联的快恢复二极管。
 
  1. SiC SJF的静态特性
  1.1 通态特性
  SiC SJT的典型输出特性如图1所示，SiC SJT的漏源偏置电压接近零，饱和区不明显，在饱和区不同栅极电流下的I-V曲线并不在饱和区的重合。这两个特点表明SiC SJT在漂移区中缺乏电荷存储，这与传统的Si三极管有较大差异。SiC SJT的这种固有特性使其在不同温度下都可以获得较快的开关速度，开关速度受温度影响较小。

 
  在相同的温度下，SiC SJT的通态压降比Si IGBT的低，在25℃时其压降Vds（on）为1.5 V，在125℃时为2.5 V（漏电流为7A）。与多数载流子器件的特性相似，SiC SJT的导通压降Vds（on）呈正温度系数，这使其易于并联扩容。文中1200V/7A 定额的SJT 在25℃工作温度下其导通电阻值为235 mΩ（栅极电流为400mA）。当结温从25℃增加到250℃时，最大电流增益从72下降到39，见图2。  
  1.2 阻断特性
  如图3所示，为SiC SJT的阻断特性。这种SiC SJT额定阻断电压为1200V，在325℃高温时，漏电流仍较低，小于100µA 。  
  图4给出SiC SJT与Si-IGBT在不同温度情况下测得的漏电流。Si-IGBT在超过175℃结温后漏电流太大，不能正常工作，而SiC SJT可达325℃，受现有封装技术的限制，未能进一步增加工作温度。与Si-IGBT对比，SiC SJT的漏电流随温度增加的速率较低。  
  2. SiC SJT的门极控制特性
  SiC SJT既可以工作于门极电流控制模式（如图1），也可以工作于门极电压控制模式（如图5）。  
  图5给出1200V/7A定额的SJT在门极电压模式控制下测得的输出特性，在门极电压VGS=4V时，SiC SJT可以获得7A的额定电流。这一驱动电压值比驱动SiC MOSFET所需的典型电压值20V要小得多。图6给出7A SiC SJT不同温度下的转移特性。室温下（25℃），7A电流处的小信号跨导为7.4 S，当温度为125℃时，跨导降为7.1S。25℃时，门极门槛电压为2.8 V，250℃时门槛电压降为2.4 V。图中转移特性在更高电流下出现饱和现象是因为用于测试的波形记录器的门极驱动电路功率限制所致。  
  3. SiC SJT的开关特性
  采用双脉冲电路对SiC SJT和Si-IGBT的开关特性进行了测试。图7、图8分别给出开通过程和关断过程中不同器件组合下的开关能量测试结果。SiC SJT的开通时间和关断时间表现出良好的温度稳定性，在25℃~250℃范围内，开通时间保持在12ns左右，关断时间保持在14 ns左右，与其它器件组合相比，开关能量低很多。  
  图9给出所有器件组合在fs=100 kHz，占空比D=0.7时的损耗对比结果。SiC SJT在250℃时的门极驱动损耗、导通损耗和开关损耗分别为5.25 W、26.65 W和20 W。虽然SiC SJT的驱动损耗比Si-IGBT的驱动损耗高得多，但其对总损耗的影响较小。采用全SiC器件组合（SiC SJT与SiC Doide）比全Si器件组合（Si IBGT与Si Doide）的损耗至少降低了50%。  
  4. 安全工作范围
  4.1 反向偏置安全工作区
  传统的Si BJT因存在二次击穿问题，限制了高压工作时的最大电流。然而SiC SJT具有接近理想矩形的反向偏置安全工作区。图10和图11给出两种极端情况下关断安全工作区的测试结果。图10对应额定漏极偏置电压（800 V）、3倍额定漏极电流（22A）；图11对应额定电流7A、更高的漏极偏置电压1250V。由图10和图11可见，SiC SJT在超高的漏极电流和漏极电压偏置下仍能安全关断，这也同时可推断出SiC SJT具有理想的矩形反偏安全工作范围。  
  4.2 短路安全工作区
  采用1200V/7A SiC SJT进行的短路能力测试和雪崩特性测试结果如图12和图13所示。SiC SJT在漏极电压为800 V，门极电流为0.2A时切换到短路状态，短路电流达到13A，持续了22µs。这比SiC MOSFET通常能够承受的10µs短路典型时间要长得多。在这样的短路条件下，SiC SJT直到持续25µs时才损坏。额定电流为7A的SiC SJT在7A电流和1mH电感下，进行钳位开关转换工作，单脉冲雪崩能量EAS达到20.4 mJ。  
  5. 结论
  通过对1200V/7A SiC超结晶体管（SJT）和三种一流的商业用Si IGBTs的电气性能的比较，可得SiC SJT具有更低的漏电流、电阻和开关时间。同时更宽的工作温度范围，更高的电流增益，更长的短路承受时间和方形反向偏置安全工作区使得其能够工作在更多的场合。除此之外，相较于Si IGBTs，SiC SJT能有效地大幅降低能量损耗。



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