【導(dǎo)讀】無論是MOSFET還是IGBT，都是受門極控制的器件。在相同電流的條件下，一般門極電壓用得越高，導(dǎo)通損耗越小。因?yàn)殚T極電壓越高意味著溝道反型層強(qiáng)度越強(qiáng)，由門極電壓而產(chǎn)生的溝道阻抗越小，流過相同電流的壓降就越低。不過器件導(dǎo)通損耗除了受這個(gè)門極溝道影響外，還和芯片的厚度有很大的關(guān)系，一般越薄的導(dǎo)通損耗越小，所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導(dǎo)通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會(huì)越厚，導(dǎo)通損耗就會(huì)變大。這種由芯片厚度引起的導(dǎo)通損耗不受門極電壓影響，所以器件耐壓越高，門極電壓即使進(jìn)一步增大對導(dǎo)通損耗貢獻(xiàn)是有限的。
引言
對于半導(dǎo)體功率器件來說，門極電壓的取值對器件特性影響很大。以前曾經(jīng)聊過門極負(fù)壓對器件開關(guān)特性的影響，而今天我們來一起看看門極正電壓對器件的影響。文章將會(huì)從導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗和短路性能來分別討論。
對導(dǎo)通損耗的影響
無論是MOSFET還是IGBT，都是受門極控制的器件。在相同電流的條件下，一般門極電壓用得越高，導(dǎo)通損耗越小。因?yàn)殚T極電壓越高意味著溝道反型層強(qiáng)度越強(qiáng)，由門極電壓而產(chǎn)生的溝道阻抗越小，流過相同電流的壓降就越低。不過器件導(dǎo)通損耗除了受這個(gè)門極溝道影響外，還和芯片的厚度有很大的關(guān)系，一般越薄的導(dǎo)通損耗越小，所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導(dǎo)通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會(huì)越厚，導(dǎo)通損耗就會(huì)變大。這種由芯片厚度引起的導(dǎo)通損耗不受門極電壓影響，所以器件耐壓越高，門極電壓即使進(jìn)一步增大對導(dǎo)通損耗貢獻(xiàn)是有限的。
我們從器件的規(guī)格書中很容易得到這個(gè)結(jié)論，如圖1的a、b分別是一個(gè)IGBT器件IKW40N120CS7的輸出特性曲線。在相同的IC電流下，門極電壓越高，對應(yīng)的輸出線越陡，VCE飽和壓降越小。但是門極電壓大于15V后，即使門極電壓再升高，VCE飽和壓降變小得不多了。所以IGBT選用15V驅(qū)動(dòng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
對開關(guān)損耗的影響
另外，門極的正壓對降低開關(guān)損耗也是有幫助的。因?yàn)殚_通的過程相當(dāng)于一個(gè)對門極電容充電的過程，初始電壓越大，充電越快，一般來說開通損耗越小。而關(guān)斷損耗則受門極負(fù)壓影響，幾乎不受門極正電壓影響。我們利用了雙脈沖平臺(tái)進(jìn)行開關(guān)波形的測試。圖4是SiC MOSFET的開關(guān)損耗在不同門極電壓和不同IC電流下的表現(xiàn)。圖5是IGBT的開通損耗。而由于SiC MOSFET的開關(guān)損耗絕對值比IGBT要小得多，所以從開關(guān)損耗降低的比例來看，SiC MOSFET效果更明顯。
對短路時(shí)間的影響
凡事有得有失，雖然門極電壓高對導(dǎo)通損耗和開通損耗都好，但是會(huì)犧牲短路性能。下式為MOSFET短路電流的理論公式，IGBT短路行為與MOSFET類似。式中μn為電子的遷移速率，Cox為單位面積柵氧化層電容，W/L為氧化層寬長比，Vgs為驅(qū)動(dòng)正電壓，Vth為門極閾值電壓。從式中可以看出，門極正電壓越大，電流會(huì)明顯上升。
比如IGBT在門極電壓15V下有10μs的短路能力，但在門極16V時(shí)，短路能力會(huì)下降到7μs不到，如圖6。對SiC MOSFET而言，相同電流的芯片面積小得多，且可能工作在更高的母線電壓導(dǎo)致短路瞬態(tài)能量更大，如果門極電壓超過15V，甚至?xí)ザ搪纺褪苣芰Α?br style="box-sizing: border-box;"/>
結(jié)論
無論對IGBT還是SiC MOSFET來說，使用的門極正電壓越高，導(dǎo)通損耗和開通損耗都會(huì)降低，對整體開關(guān)效率有利。但是會(huì)影響器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET時(shí)不需要短路能力的話，建議適當(dāng)提高門極的正電壓。
SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗表現(xiàn)相類似，如圖2所示為IMW120R030M1H的輸出特性。相比于圖1的橫坐標(biāo)，圖2的電壓跨度更大，也就是說SiC MOSFET適合門極電壓更高（比如18V），導(dǎo)通損耗更小，獲益更大。但是考慮門極氧化層的可靠性，使用電壓一般不會(huì)超過20V，英飛凌1200V的SiC MOSFET建議使用電壓為18V。
綜合以上兩者特性來說，1200V的IGBT一般在15V以后，變化不明顯，而1200V的SiC MOSFET則變化大，如圖3。這主要是因?yàn)閷τ?200V等級(jí)的SiC MOSFET來說，溝道電阻所占比重較大，而減小溝道電阻的有效手段就是提高門極電壓。
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
探索面向Wi-Fi 6GHz領(lǐng)域的自動(dòng)頻率協(xié)調(diào)（AFC）技術(shù)
連載一：車載以太網(wǎng)時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)
通過10BASE-T1L連接實(shí)現(xiàn)無縫現(xiàn)場以太網(wǎng)
意法半導(dǎo)體公布2023年第四季度和全年財(cái)報(bào)
在低壓大電流應(yīng)用中，電壓調(diào)節(jié)器的性能該如何改進(jìn)？
