一、Si MOSFET和SiC MOSFET的导通区域
传统Si MOSFET在两个状态之间快速切换工作,切换电压就是VTH,当VGS小于VTH时,器件处于阻断状态,此时VDS是高阻,ID电流为0,当VGS远大于VGS后,MOSFET将处于饱和区域,RDS变为接近最小的导通阻抗,ID是最大的电流状态,这时器件是充分导通的。
对于Si MOSFET,其线性区和饱和区是非常分明的,当VGS电压大于VTH时,逐步由线性区移到饱和区,此时RDS是一个较小的电阻,在过渡阶段ID电流和VGS电压的比值比较大。
也就是说,如下式中表示的,较小的VGS电压变化,会产生较大的Id变化,这个比值称为跨导。所以说,Si MOSFET的跨导是比较大的,同时它也是MOSFET的输出到输入的增益。
这里我们通过一个典型的Si MOSFET及SiC MOSFET的VDS和Ids电流关系曲线,来理解其导通特性,如图1所示:图1:Si及SiC MOSFET的导通特性比较
在图1中,红色曲线为Si MOSFET的输出I-V特性曲线,而黑色曲线为不同VGS下,SiC MOSFET的I-V特性曲线。
对于Si MOSFET来说,如图1中,红色曲线,在VGS大于VTH时,经历一个高增益的线性区,I-V特性非常陡峭,而VGS足够大时,其I-V特性基本是平坦的,最大电流ID变化不大,所以说Si MOSFET在饱和区是一个非理想的电流源。
而对于SiC的I-V曲线来说,它是没有饱和区的,它更像一个电压控制的可变电阻,而不是非理想电流源,所以,它的跨导gm增益比较小,以如下式来确定其电压VGS和电流ID关系,若要提高导通电流,只能提高其门级驱动电阻VGS。
我们以两个运行点为例进行说明,同样是20A的负载电流,一个是VGS为14V的运行I-V曲线,从曲线上读出对应的VDS电压为8.75V,则可以求出其导通电阻RDS为438mohm,如下式表示:
另一个点为VGS为20V的运行I-V曲线,从曲线上读出对应的VDS电压为3.75V,则可以求出其导通电阻为188mohm,如下式表示:
从上述计算结果来看,VGS为12V的导通电阻是VGS为20V时的导通电阻的2倍以上,这对于导通损耗来说是非常不利的。
那么我们最终得出一个结论,比较优化的SiC MOSFET导通门级电压是在18V-20V区间内。当采用较低的VGS门级电压时,较大的导通电阻将产生较大的热损耗,很容易导致热应力的问题。
二、Si及SiC MOSFET的导通电阻温度系数
对于SiC MOSFET来说,施加一定的Vgs电压,其单位面积的导通阻抗是比较小的。总的来说,其导通阻抗包含三部分,RCH沟道电阻是较熟悉的部分,它是NTC负温度系数的特性;而另外两部分阻抗,分别为JFET电阻RJ,漂移区电阻RDRIFT,这两部分阻抗为PTC正温度系数特性。图2:SiC MOSFET导通电阻和结温关系
从图2来看,当VGS较低时,如VGS为14V,导通电阻和温度关系呈现抛物线形式,随温度变化阻抗先减小后增加,而当VGS较大时,如大于18V时,则导通电阻和温度关系是正向比例形式,它的PTC特性占主导地位。
相对于SiC MOSFET随VGS电压变化,其阻抗的温度系数变化较大,而传统的Si MOSFET,一旦VGS大于VTH,整个VGS工作区间其温度系数都是PTC特性。因此,大电流应用时的器件并联比较容易。
所以经过上述分析,对于SiC MOSFET来说,为了尽可能减小其导通电阻,我们通过提高VGS到18V-20V之间以便得到较大的ID电流能力。同时,为了可以得到PTC正温度系数的阻抗特性,也要求VGS电压达到18V-20V以上的电压。这样在SiC MOSFET并联应用时,就可以像Si MOSFET一样自然平衡各个SiC MOSFET电流。
相反,如果以较低的VGS电压去驱动并联的SiC MOSFET,则容易由于NTC的温度特性占主导,从而导致热应力大的问题及由于电流不均导致的热失控问题。
总结,SiC MOSFET作为新型的宽禁带功率器件,我们注意到其优越的特性之外,同时也要注意它和传统Si MOSFET的特性不同之处,导通阻抗就是一个非常重要的方面。
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一文弄懂SiMOSFET和SiCMOSFET的导通电阻差异特性

Si MOSFET是一直以来应用广泛的半导体功率器件,而SiC MOSFET是近些年应用逐渐广泛的半导体功率器件,二者在多方面特性上具有不同的特点。本文重点讨论一下Si MOSFET和SiC MOSFET在导通电阻上的差异特性。
关键词: MOSFET SIC 差异
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