碳化硅MOSFET反向导通特性建模研究
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碳化硅功率器件的发展与数值建模
科技创新与应用Technology Innovation and Application研究视界2021年13期碳化硅功率器件的发展与数值建模李国鑫（上海电力大学，上海200090）1碳化硅材料的发展随着集成电路与微电子的发展，传统的半导体材料由于自身的结构和局限性，在高导热、高电场的工作环境下已难堪大任，碳化硅材料以其卓越的物理特性引起了人们的关注，并成为了继第一代元素半导体硅和第二代化合物半导体磷化镓等之后发展迅速的第三代半导体材料[1-2]。
碳化硅电子器件的发展已有多年，在1907年首次观察到碳化硅的电致发光现象，且于1923年利用碳化硅制成了第一种LED 。
但早期大多数关于碳化硅的研究是通过升华法生产的，目前最常用的方法是物理气相输运法（Physical VaporTransport ，PVT ）。
表1比较了碳化硅材料和硅材料的基本物理特性。
不难得出，与普通的硅材料相比，碳化硅材料具有更加优良的物理特性。
包括其更加宽泛的禁带、更高的击穿场强、热导率及击穿场强[3-4]。
因此，深入研究碳化硅结构并解决其高界面态是推动碳化硅功率器件发展的必经之路。
24H-SiC MOSFET 器件结构半导体功率器件一般可分为两种，即MOS 器件与双极结型器件。
图1中展示了一种基本的碳化硅MOS 器件的结构，该结构具有工频高，栅压可控的优点。
然而，在SiO 2/SiC存在的高界面态却阻碍了碳化硅MOS 在航天航空及通信等领域的广泛应用。
摘要：近年来，碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料的发展引起了人们的广泛关注。
凭借其高导热性、高击穿电场和可生长天然氧化物的能力，在航天航空及通信等领域得到了广泛应用。
然而，碳化硅功率器件在开发中也有一定的局限性，碳化硅功率器件的高界面态成为制约器件性能的主要因素。
因此，碳化硅器件还需要更加深入地了解与应用。
文章比较了第三代半导体材料碳化硅与第一代元素半导体硅材料的物理特性，并提出了研究碳化硅材料数值分析所需的模型，为今后碳化硅功率器件的研究打下基础。
碳化硅 MOSFET 器件结构和特性
碳化硅MOSFET 器件结构和特性SiC（碳化硅）是由硅和碳化物组成的化合物半导体。
与硅相比，SiC具有许多优势，包括10倍的击穿电场强度，3倍的带隙，以及实现器件结构所需的更广泛的p型和n型控制。
其结果是硅无法实现的突破性性能，使其成为下一代功率器件最可行的继任者。
SiC存在多种多型（多晶型），每种具有不同的物理性质。
在这些多类型中，4H-SiC是功率器件最理想的。
功率器件特性SiC的击穿电场强度是硅的10倍，因此可以通过更薄的漂移层和更高的杂质浓度配置更高电压（600V至XNUMX V）的功率器件。
由于高压器件的大部分电阻成分位于漂移层电阻中，因此SiC能够以极低的单位面积导通电阻实现更高的耐压。
理论上，在相同的耐压下，单位面积的漂移层电阻可比硅降低300倍。
为了尽量减少使用硅的较高耐压下导通电阻的增加，通常使用少数载流子器件（双极性），例如IGBT（绝缘栅双极晶体管）。
然而，这会增加开关损耗，从而导致更大的热量产生并限制高频操作。
相比之下，SiC通过高速器件结构，使用多数载流器件（肖特基势垒二极管、MOSFET）实现高耐压成为可能，同时实现高耐压、低导通电阻和高速运行。
3倍宽的带隙允许功率器件在更高的温度下工作，从而大大扩展了适用性。
碳化硅SBD器件结构和特点将碳化硅高速器件结构集成到肖特基势垒二极管（SBD）中，可以实现大于600V的耐压（与硅SBD的~200V相反）。
因此，替换现有的主流PN结二极管（快速恢复型）可显著降低恢复损耗，有助于降低线圈等无源元件的噪声和更紧凑性。
这是由于电源效率的提高和操作频率的提高。
这确保了对功率因数校正电路（PFC）和整流桥的支持，使其适用于更广泛的应用，包括交流电、电源、太阳能功率调节器、电动汽车快速充电器。
碳化硅SBD正向特性SiC SBD的上升电压小于1V-相当于FRD的上升电压。
上升电压由肖特基势垒的高度决定。
然而，尽管设计较低的正常势垒高度可以降低上升电压，但这是以泄漏电流为代价的，漏电流在反向偏置期间会增加。
碳化硅mosfet 新型导热材料
文章标题：探秘碳化硅MOSFET：新型导热材料的全面评估1. 引言碳化硅（SiC）MOSFET是一种新型的功率半导体器件，具有高温特性、高频特性和高功率特性，逐渐被广泛应用于电力电子领域。
而作为新型导热材料，碳化硅也在众多领域展现了优异的性能。
本文将就碳化硅MOSFET以及作为导热材料的应用进行深度评估。
2. 碳化硅MOSFET的特性碳化硅MOSFET相较于传统的硅MOSFET具有更高的击穿场强，更高的工作温度，更高的开关频率等特点，可用于高压和高频率的场合。
在电动车、电力系统等领域具有重要的应用前景。
3. 碳化硅作为导热材料的性能碳化硅具有优秀的导热性能，其热导率较硅大约3倍，而且随着温度的增加，碳化硅的热导率不会出现下降的趋势，因此在高温高功率电子器件中应用广泛。
碳化硅还具有很好的耐热性和抗氧化性能，稳定的化学性质，适用于各种恶劣环境。
4. 碳化硅MOSFET在电力电子领域的应用碳化硅MOSFET作为一种新型的功率半导体器件，其在电力电子领域扮演着重要的角色。
在交流传输系统和直流传输系统中，碳化硅MOSFET都展现了出色的性能，提高了功率密度和系统效率，同时也降低了系统的体积和成本。
5. 个人观点和理解作为碳化硅MOSFET和碳化硅作为导热材料的新型技术，在未来的电力电子领域和高温高功率电子器件中具有广阔的应用前景。
其优秀的性能和稳定的特性将对电力系统、电动车等领域产生深远的影响，也将推动电力电子技术的飞速发展。
6. 总结碳化硅MOSFET作为一种新型的功率半导体器件，以及碳化硅作为导热材料的特性与应用前景进行了全面评估。
值得注意的是，随着科技的发展，碳化硅技术将不断完善和应用扩大，对各种领域产生更多的积极影响。
通过上述深度评估，我们对碳化硅MOSFET及碳化硅作为导热材料的特性和应用有了更深入的理解，相信在未来的发展中将发挥越来越重要的作用。
长按来粘贴您的内容…碳化硅MOSFET作为新型的功率半导体器件，在电力电子领域具有巨大的潜力和应用前景。
《双面散热SiCMOSFET模块电、热特性研究与模块封装》范文
《双面散热SiC MOSFET模块电、热特性研究与模块封装》篇一一、引言随着电力电子技术的飞速发展，半导体器件在电力转换系统中的角色愈发重要。
SiC（碳化硅）材料因其高耐压性、低导通电阻及高导热性等特性，被广泛应用于高频、高功率的场合。
本文针对双面散热SiC MOSFET模块的电、热特性进行研究，并对模块封装进行深入探讨。
二、双面散热SiC MOSFET模块电特性研究双面散热SiC MOSFET模块的电特性主要表现在其开关速度、导通电阻以及反向恢复特性等方面。
该模块具有低导通电阻和快速开关速度的特点，使得其在高功率、高频率的应用场合中具有显著优势。
首先，双面散热设计通过提高散热面积和散热效率，有效降低了模块的工作温度，从而提高了其电性能的稳定性。
此外，SiC 材料的高耐压性使得该模块能够在更高的电压下工作，进一步拓宽了其应用范围。
其次，针对该模块的导通电阻和开关速度等电特性，我们进行了详细的实验研究和仿真分析。
通过对比不同驱动条件、温度和电流等因素对电特性的影响，我们得出了优化模块电性能的方案。
三、双面散热SiC MOSFET模块热特性研究双面散热SiC MOSFET模块的热特性研究主要关注其散热性能和温度分布。
通过建立热阻模型和温度场仿真，我们分析了模块在不同工作条件下的温度变化和热量传递过程。
双面散热设计通过增加散热面积和优化散热结构，有效提高了模块的散热性能。
同时，SiC材料的高导热性也使得模块在高温环境下仍能保持良好的工作性能。
此外，我们通过实验验证了双面散热设计的有效性，并得出了优化模块热性能的方案。
四、模块封装研究针对双面散热SiC MOSFET模块的封装，我们进行了材料选择、结构设计等方面的研究。
首先，我们选择了具有高绝缘性、高导热性和良好机械强度的封装材料。
其次，我们优化了封装结构，使得模块在满足电气性能的同时，具有更好的散热性能和机械强度。
在封装过程中，我们注重工艺控制和质量控制，确保每一道工序都符合要求。
10kV碳化硅混合MOS-IGBT器件的研究
集成电路应用 第 38 卷 第 4 期（总第 331 期）2021 年 4 月 1Research and Design 研究与设计摘要：研究新型10kV电压等级的碳化硅场效应晶体管结构, 具有碳化硅MOSFET的高频工作特性以及IGBT器件的大电流导通能力。
在传统碳化硅MOSFET结构的基础上，在器件底部漏极区加入了间隔式的集电极区。
在小电流情况下，电流从漏极区域流通，器件为单极型器件，拥有出色的高频性能。
在大电流情况下，集电极区PN结导通，器件开启类IGBT器件的双极型模式，显著降低器件正向导通电阻。
关键词：碳化硅，MOSFET，IGBT，沟槽，MMIGBT。
中图分类号：TN312，TN365 文章编号：1674-2583(2021)04-0001-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2021.04.001中文引用格式：崔京京，章剑锋.10kV碳化硅混合MOS-IGBT器件的研究[J].集成电路应用, 2021, 38(04): 1-3.类超高压碳化硅器件的开关频率也会因为存在少数载流子复合而受到限制。
另一方面，由于碳化硅P型衬底比较难以生长且电阻率远大于N型衬底，早期报导SiC IGBT主要是基于N型衬底，即集电极区为N型，外延层为P 型，同时为P型沟道，但这种结构由于必须使用负栅压驱动导通，且P型外延层电阻率更大，严重影响SiC IGBT的性能与应用[4]。
随着碳化硅材料生长技术的不断发展，目前已可以实现200µm厚度的高品质厚外延，掺杂浓度也可以低至1×1014cm -3[5]。
可通过减薄去除N型衬底，并背面注入形成P型集电极区的方法制成N型沟道超高电压IGBT，少数载流子（空穴）的寿命在目前制成的高压PIN二极管中已有测量报道，可以达到1.2μs [6].根据IGBT结构的特点，由于集电极区与漂移区存在一个PN结势垒，因此正向导通时必须首先克服集电区PN结自身的内建电势。
评价碳化硅mos的主要参数
评价碳化硅mos的主要参数全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：碳化硅（SiC）MOS（金属-氧化物-半导体）器件是一种基于SiC 半导体材料的器件，具有较高的性能和稳定性，被广泛应用于功率电子、射频通信和传感器等领域。
评价SiC MOS器件的主要参数包括电性能、热特性、尺寸和可靠性等方面。
通过全面评价这些参数，可以对SiC MOS器件的性能和应用进行准确的判断。
SiC MOS器件的电性能是评价其质量的重要指标之一。
主要参数包括漏电流、开关速度、导通损耗和阈值电压等。
将这些参数纳入考量，可以评估器件在不同工作状态下的性能表现，从而指导工程师在设计和应用时做出合理的选择。
SiC MOS器件的热特性也是关键的评价指标之一。
SiC材料具有较好的热导性和耐高温性能，但是在实际工作中，器件会受到高温的冲击，因此热特性的评估尤为重要。
主要考虑参数包括温升、热阻和热稳定性等，通过对这些参数的测量和分析，可以有效地评估器件在高温环境下的工作性能。
SiC MOS器件的尺寸也会直接影响其性能和应用范围。
主要考虑参数包括尺寸、重量和结构等。
在实际应用中，需要根据具体的场景和需求选择合适尺寸的器件，以确保其在系统中的正常工作。
在评价SiC MOS器件时，尺寸参数也需要被充分考虑。
SiC MOS器件的可靠性是极为重要的评价指标。
主要考虑参数包括寿命、耐久性和抗干扰能力等。
在工业领域中，器件的可靠性直接关系到系统的稳定性和安全性，因此可靠性评价是评价SiC MOS器件的关键环节。
评价SiC MOS器件的主要参数包括电性能、热特性、尺寸和可靠性等方面。
通过全面评估这些参数，可以为工程师提供准确的参考信息，帮助他们在设计和应用中做出最佳选择。
随着SiC技术的不断发展，SiC MOS器件将在各个领域展现出更广阔的应用前景，为人类社会的发展做出更大的贡献。
第二篇示例：碳化硅薄膜（MoS）是一种新型的薄膜材料，具有诸多优异的性能，被广泛应用于半导体器件中。
碳化硅MOSFET电热耦合模型及分析
第14卷第6期电源学报Vol.14 Lo.6 2016 年11 月Journal o N Power Supply Nov. 2016D01：10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.29 中图分类号：TM 461.5 文献标志码：A碳化硅MOSFET电热耦合模型及分析吕秀婷，谭平安(湘潭大学信息工程学院，湘潭411105)摘要：为在Matlab/Simulink 2境下准确预测碳化；SiC (silicon carbide)功率器件在实际工况下的结温变化，针对SiC M0SFET器件提出了一种基于时变温度反馈的电热耦合模型建模方法。
该方法能更好地反映SiC MOSFET在导通和开关过程中的性能特点，模型从器件物理分析和工作机理出发，将功率损耗和热网络模块引入建模，实时反馈器件结温和更新温度相关参数。
采用CEEE C2M0160120D SiC M0SFET器件进行测试，根据 制造商数据手册和测试实验中提取，仿真结果证实了该建模方法的正确性，为器件的寿命预测和可靠性评估提供了研究基础。
关键词：碳化硅；M0SFET&电热耦合；Matlab/SimulinkModeling and Analysis of Electro-thermal CouplingModel for SiC MOSFETLYU Xiuting，TAN Ping’an(College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)A bstract：In order to predict the junction temperature of the silicon carbide (SiC) power device accurately underMatlab/Simulink environment, this paper presents a modeling method based on time-varying temperature feedback for SiC MOSFET. From the physics analysis of device, the power loss and thermal network module is introduced into SiC MOSFET to feedback junction temperature and update real-time parameters, and which reflect the process of conduction and switching characteristics of SiC MOSFET more reasonable. The device of SiC MOSFET adopts CEEE C2M0160120D, extractes the modeling parameters from the manufacturer datasheet and the test experiment. The simulation results prove the rationality of the modeling method, and provide the basis for life prediction and reliability assessment of the device.Keywords：silicon carbide; MOSFET; electric-thermal coupling; Matlab/Simulink引言近年来，随着变流器的功率、频率的不断提升，传统硅Si(silicon)材料本身物理性能的缺陷逐渐显 现。
SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究
SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究史孟;彭咏龙;李亚斌;江涛【摘要】The structure characteristics of the new power device SiC MOSFET and the mechanism of the reverse re-covery of the body diode are analyzed in detail, and the calculation process of the voltage and current of the reverse recovery process is derived. At the same time, a double pulse test platform is built, and the effects of the most common external factors, such as varied turn-off voltage, forward current and series parasitic inductance, on the reverse recovery behavior of the body diode of SiC MOSFET is analyzed by the methods of experiment and simula-tion. In addition, the reverse recovery performances of the body diode of SiC MOSFET, Si MOSFET and fast recov-ery diode are compared at the same voltage level. Related research results show that the body diode of SiC MOSFET can be used as a continuous flow channel in the converter without anti-paralleling a fast recovery diode, which has a certain reference value for practical engineering applications.%详细分析了新型功率器件SiC MOSFET的结构特点及其寄生体二极管的反向恢复机理，推导了反向恢复过程的电压与电流计算；同时，搭建了双脉冲实验测试平台，通过实验和仿真的方法，测试了不同关断电压、正向导通电流和串联寄生电感这些最常见的外部因素对SiC MOSFET寄生体二极管反向恢复特性的影响；此外，对比测试了同电压等级的SiC MOSFET、 Si MOSFET寄生体二极管和快恢复二极管的反向恢复性能。
碳化硅MOSFET的高温模型及关键工艺研究
西安电子科技大学硕士学位论文碳化硅MOSFET的高温模型及关键工艺研究姓名：韩茹申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：柴常春20060101摘 要作为第三代宽禁带半导体材料代表之一，碳化硅由于具有优越的电学、热学性质，因此在高温、高频及大功率场合下有广泛的应用前景。
本文对SiC MOSFET 器件的高温特性作了详细的研究，着重讨论了影响器件高温条件下输出特性的诸多因素，并就目前的工艺水平对SiC MOSFET 制作的关键工艺—欧姆接触进行了实验研究。
研究了SiC 中载流子“冻析效应”、沟道迁移率及本征载流子浓度等在不同温度下对SiC MOSFET 阈值电压的影响；源漏接触电阻及SiC 二极管反向饱和电流随温度的变化关系。
论文提出了一个带温度补偿的SiC MOSFET 解析模型。
该模型通过将阈值电压，体漏电流，源漏薄层电阻等在高温条件下对输出电流变化的影响等效为与源漏沟道并联的等效电流源。
通过对该模型仿真得到，高温条件下漏电流的变化主要是由阈值电压的变化引起的，同时体内缺陷的存在导致在漏-衬端Poole-Frenkel 效应明显，体漏电流不可忽略，并且随着温度的升高，其所占比例不断增大，逐渐成为Ids 的重要组成部分。
实验研究了SiC 欧姆接触工艺。
通过离子注入4H-SiC 和直接采用高掺杂4H-SiC 外延材料两种方法制备了欧姆接触，运用欧姆接触测试图形TLM 结构欧姆接触进行了测试，得到的比接触电阻分别为～10－5⋅Ωcm 2和～10－6⋅Ωcm 2。
关键词：碳化硅 补偿电流源 体漏电流 普尔-弗兰克效应 欧姆接触AbstractAs one of the so-called third generation semiconductor materials- Silicon Carbide, has very good electrical and thermal properties. These properties make SiC a preferred semiconductor for preparation of devices in the environments of high temperature, high frequency, and high power. In this thesis, our studies concentrated on the high temperature characteristic of SiC MOSFET, and the key process technology—ohmic contact have been investigated under the fabrication ability of our own.The relationship between threshold voltage and temperature are discussed by the study of carrier freeze-out effect, the channel mobility and the intrinsic concentration. And then, the temperature dependency of Source/Drain series resistance and SiC pn diode’s reverse leakage current are presented.An analytical model which accurately reproduces the I-V characteristics of SiC MOSFET in a wide temperature range is reported. The effects of temperature on the threshold voltage, channel mobility, the body leakage current, and the drain/source sheet resistances are studied as several compensating current elements. It includes the Gauss model of interface traps and the Poole-Frenkel effect in the body. The simulation results showed that the large variation of the threshold voltage results in a huge change in the drain currents, and the percent of body leakage current getting bigger with the increase of temperature due to the Poole-Frenkel effct caused by several traps, it gradually plays a major role in the total current.Two different methods have been used to fabricate SiC ohmic contact with Ti/Ni/Au and Ti/Pt/Au respectively. With the testing TLM structures, low specific contact resistances(～10-6⋅Ωcm2)have been achieved and secondary ion mass spectrometry (SIMS) is employed to examine the metal-semiconductor interface reaction.Key Words: Silicon Carbide compensating current elements body leakage current Poole-Frenkel effect ohmic contact创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
碳化硅mos管结构及其工作原理详解
一、碳化硅MOS管的结构1.1 介绍碳化硅MOS管1.2 碳化硅MOS管的组成结构1.3 碳化硅MOS管的工艺制作二、碳化硅MOS管的工作原理2.1 碳化硅MOS管的电子能级结构2.2 碳化硅MOS管的导电性机制2.3 碳化硅MOS管的性能特点三、碳化硅MOS管的应用3.1 新能源领域3.2 电动汽车领域3.3 电力电子领域文章：碳化硅MOS管结构及其工作原理详解一、碳化硅MOS管的结构1.1 介绍碳化硅MOS管碳化硅MOS管是一种基于碳化硅材料制作的金属氧化物半导体场效应管。
它具有高开关速度、低导通电阻、高耐压等优点，被广泛应用于新能源领域、电动汽车领域和电力电子领域。
1.2 碳化硅MOS管的组成结构碳化硅MOS管由栅极、漏极、源极和氧化层组成。
其中栅极和源、漏极之间的氧化层构成了MOS结构。
1.3 碳化硅MOS管的工艺制作碳化硅MOS管的制作工艺包括晶片制备、材料外延、器件加工等环节。
在制备过程中，需要严格控制材料的纯度和晶片的质量，确保器件性能稳定可靠。
二、碳化硅MOS管的工作原理2.1 碳化硅MOS管的电子能级结构碳化硅MOS管具有宽禁带宽度和高击穿场强，其导电机制主要通过倒转层边沿击穿和倒转层电子-电子冲击电离两种方式进行。
2.2 碳化硅MOS管的导电性机制碳化硅材料的电子迁移率和电子饱和漂移速度较高，因此碳化硅MOS 管具有较高的导电性能。
在工作过程中，碳化硅MOS管的导通电阻很小，且能够快速开关。
2.3 碳化硅MOS管的性能特点碳化硅MOS管具有耐高温、耐压能力强、漏电流小、导通电阻小等优点，适用于高频和高温工况下的电力电子应用。
三、碳化硅MOS管的应用3.1 新能源领域碳化硅MOS管在太阳能逆变器、风能变流器等新能源转换系统中得到了广泛应用，能够提升系统的转换效率和稳定性。
3.2 电动汽车领域碳化硅MOS管在电动汽车的动力电子系统中发挥着重要作用，能够实现高效能量转换和快速充放电。
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第37卷第10期2018年10月电工电能新技术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.37,No.10Oct.2018收稿日期:2018-02-27基金项目:高速磁浮牵引供电及控制系统关键技术研究及装备研制项目(2016YFB1200602-20)作者简介:周志达(1991-),男,广东籍,博士研究生,研究方向为宽禁带半导体在电力电子与电力传动中的应用;葛琼璇(1967-),女,江西籍,研究员,博士,研究方向为大功率变流器及高性能电机牵引控制技术㊂碳化硅MOSFET 反向导通特性建模研究周志达1,2,葛琼璇1,赵㊀鲁1,杨㊀博1,2(1.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室,中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院大学,北京100049)摘要:碳化硅宽禁带半导体器件因其损耗小㊁开关时间短以及温度特性稳定等诸多优点在中小功率变换器得到广泛关注㊂对比Si IGBT ,SiC MOSFET 的反向导通(第三象限运行)压降更低㊁损耗更小㊁载流能力更高,在电机驱动㊁移相DC /DC 变换器以及同步整流器中应用更有优势㊂首先研究了SiC MOSFET 反向导通机理及其外特性随温度变化规律,提出了一种适用于不同封装㊁不同型号的反向导通建模方法,实现仅需数据手册即可快速建立包含不同结温特性的行为模型,仿真结果验证了提出的建模方法对分立元件和功率模块的准确性和有效性㊂关键词:碳化硅MOSFET ;反向导通;通用行为模型DOI :10.12067/ATEEE1802039㊀㊀㊀文章编号:1003-3076(2018)10-0010-07㊀㊀㊀中图分类号:TN321㊀引言电力电子开关器件的电气性能通常用额定功率容量和最大工作频率的乘积表征[1],自硅基半导体器件得到规模应用的五十多年来,目前器件电气性能在109~1010W ㊃Hz 之间,已经接近材料极限[1,2]㊂与硅基材料相比,化合物半导体碳化硅材料制成的宽禁带开关器件具有耐压等级高㊁导通电阻小㊁高频损耗低和温度特性稳定等诸多优点㊂在器件商业化初期主要应用于小功率开关电源㊁模块化光伏发电等领域,替代了Si MOSFET 分立元件,系统效率得到提升,功率器件数目进一步减少[3]㊂随着1700V /300A 和1200V /300A 功率模块量产,SiC MOSFET 逐渐替代Si IGBT 应用于轨道交通[4-6]㊁电动汽车[7]㊁数据中心供电系统[8-10]等大功率场合,系统功率密度㊁运行效率以及器件损耗均有不同程度的改善㊂MOSFET 作为单极型器件,其沟道本身可正反向导通电流,加上其内部寄生二极管,可实现反向稳态导通㊁死区时间换流以及PWM 调制变换的需求;而双极型IGBT 器件必须反并联二极管才可实现反向导通,导通压降和损耗较高,载流能力较低㊂另一方面,MOSFET 反向导通机理对比IGBT 的反并联二极管导通复杂,随着沟道反型层的不同状态以及寄生二极管两端施加电压大小,可能存在二极管独立导通㊁沟道独立导通以及沟道和二极管并联导通3种情况㊂SiC MOSFET 作为新型化合物半导体器件,其沟道导通电阻㊁器件阈值电压的温度特性与Si MOSFET 有很大差别[11],内部寄生二极管由于MOS界面缺陷导致阈值电压高,导通电阻大,目前应用中普遍反并联SiC 肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)[12]以旁路性能较差的寄生二极管,但这种全SiC 组合器件不仅提升了系统成本,反向导通过程也变得更加复杂㊂目前SiC 器件成本仍然较高,器件迭代速度较快,研究器件反向导通机理能更好地评估反并联SBD 的必要性,对反向导通特性的建模可用于预测系统性能㊁体积以及效率等关键指标㊂文献[13]提出的经典的SiC MOSFET 行为建模方法,采用Pspice Level 1模型[14]做沟道内核,在大电流正向导通特性精度较差且无法对反向导通特性独立建模㊂文献[15]基于经典EKV (Enz Krummenacher Vittoz)模型,采用统一的沟道电流表达式描述沟道在弱㊁中㊁强三种不同反型层的特性㊂但沟道正反向导通模型周志达,葛琼璇,赵㊀鲁,等.碳化硅MOSFET 反向导通特性建模研究[J].电工电能新技术,2018,37(10):10-16.11㊀采用完全相同的参数㊂文献[16]采用多个MOSFET 和SBD 晶圆并联的形式对功率模块进行物理建模,然而沟道反向导通特性仍然没有独立模型㊂在SiC MOSFET 数据手册中,给出了不同驱动电压V gs 下源漏极电压V sd 和源极电流I s 的输出特性曲线,同时也给出了体二极管特性和正压驱动时反向导通特性,也称为第三象限特性曲线,倘若简单地将MOSFET 输出特性与寄生PiN 二极管伏安特性插值相加,再与反向导通伏安特性对比,结果可能出现较大的差异,结温为25ħ时分立元件C2M0025120D 特性曲线的对比结果如图1所示㊂图1㊀MOSFET 反向导通特性(实线)以及二极管伏安特性与MOS 输出特性之和(虚线)对比Fig.1㊀Comparison of third quadrant characteristic withsum of diode and MOSFET channel综上,目前碳化硅器件的建模研究仍集中于正向导通特性,大多将沟道正反向导通视为完全相同的过程,缺乏对反向导通机理研究,现有模型不能准确反映SiC 功率MOSFET 器件工作在第三象限时的动静态特性㊂本文首先研究了SiC MOSFET 反向导通特性以及结温的影响,针对碳化硅1200V /90A 分立元件C2M0025120D 以及1200V /300A 功率模块CAS300M12BM2,提出一种仅需要数据手册的通用型建模方法,沟道模型采用改进的EKV 模型,模型参数均加入了结温自由度,可快速建立包含不同结温的行为模型㊂文章第3节给出了详细的建模方法,通过LTspice 的仿真结果验证了提出的建模方法的准确性和通用性㊂2㊀SiC MOSFET 反向导通特性2.1㊀分立元件反向导通图2为目前商业化SiC MOSFET 常用双植入垂直型(Vertical Double Implanted MOSFET,VDIMOS-FET)元胞结构的两种反向导通形式:当器件采用负压关断时,沟道被完全夹断,反向导通电流全部流经寄生PiN 二极管;当驱动电压为正,沟道形成反型层,等效为沟道电阻与寄生二极管并联导通㊂由于SiC MOSFET 的界面缺陷,其寄生二极管的开启电压㊁正向压降和导通电阻较大,因此根据源漏极电压V sd 大小有两种通流回路:当V sd 小于二极管开启电压时,反向电流I s 只流过沟道电阻;当V sd 略大于二极管开启电压,沟道和PiN 二极管并联导通;随着反向导通电流的增大,沟道导通电阻由于短沟道效应[11]不断增大,并联导通分流逐渐变小,最后反向电流全部流入寄生二极管㊂图2㊀两种反向导通形式Fig.2㊀Two kinds of reverse conducting form分立元件25ħ驱动负压下二极管导通特性如图3所示㊂从图3中寄生二极管伏安曲线可以看出不同的关断负压特性曲线不同,-5V 关断比0V 关断时器件开启电压更低,当关断电压继续降低,特性趋于稳定,受驱动负压的影响越来越小㊂该现象符合文献[17]所述:在0关断时,沟道体区效应明显,因此二极管阈值电压V th 下降使得器件更容易导通,拥有更好的特性曲线㊂文献[17]提出的体二极管物理模型考虑了驱动负压对体区效应㊁沟道载流子寿命以及迁移速率的影响,在Saber 软件中可重现不同驱动电压下体二极管特性㊂然而这种建模方法需要大量的器件工艺参数,在系统行为仿真中存在迭代次数多㊁方程矩阵阶次高的缺点㊂因此,在对反向导通特性建模时,为了简化模型收敛性,将-5V 关断下的伏安特性曲线视为体二极管真实导通特性㊂当驱动电压为正时,随着电压增加,SiC MOS-FET 沟道逐渐形成的弱㊁中㊁强反型层,由于MOS 沟道为单极型半导体结构,不存在PN 结空间电荷区,可用导通电阻R on 等效㊂因此,在体二极管仍未导通时,沟道形成导电支路提前导通,由图4可以看出在V gs =20V 时,反向导通曲线线性程度高,沟道电12㊀电工电能新技术第37卷第10期阻分得绝大部分电流㊂在反向导通额定电流90A时,二极管仍未达到开启电压㊂图3㊀分立元件25ħ驱动负压下二极管导通特性Fig.3㊀Diode characteristic under negative drive bias at25ħ图4㊀分立元件25ħ不同驱动正压下反向导通特性Fig.4㊀Reverse conduction under positive bias at 25ħ2.2㊀功率模块反向导通SiC MOSFET 功率模块商业化以来,以Cree 的1200V /300A 以及1700V /300A 为典型,基本满足100kVA /40kHz 的中频大功率电力电子设备应用㊂标称1200V /300A 的半桥模块CAS300M12BM2,内部采用12片第二代SiC MOSFET 晶圆并联,单片晶圆耐压1200V 额定电流90A;采用12片第二代SiCJBS 晶圆作为反并联二极管,单片二极管晶圆面积36mm 2㊂由于反并联二极管的存在,额定导通压降为3.1V 的SiC 寄生PiN 二极管在常温下被额定导通压降仅为1.7V 的SiC JBS 二极管有效旁路㊂因此,与分立元件不同,功率模块在不同驱动负压关断下,反向导通特性相差较小,如图5所示㊂加入反并联二极管后,反向电流在器件0V 或负压关断时主要流经性能更好的SiC JBS 二极管,仅在导通电流高达500A 的区间,寄生PiN 二极管和MOS 沟道有部分分流,可以看出,对功率模块的二极管特性建模,仍以反并联JBS 特性为主㊂JBS 作为混合型二极管,兼有SBD 的快速开关与PiN 的导通损耗低的优点,可以独立建模㊂当驱动电压为正时,反向导通特性呈现明显的沟道电阻和二极管分级导通的特点,如图6所示㊂图5㊀功率模块25ħ不同驱动负压下二极管导通特性Fig.5㊀Diode characteristic under different drive bias at25ħ图6㊀功率模块25ħ不同驱动正压下反向导通特性Fig.6㊀Reverse conduction under positive bias at 25ħ正压下反向导通特性存在拐点,当二极管仍未导通时,绝大部分反向电流流经沟道;二极管开启后与沟道电阻并联导通,由于JBS 二极管导通电阻更小因此分流效果明显㊂然而,如图1所示,在两者并联导通时,沟道反向导通特性与正向导通不同,需要独立建模㊂2.3㊀结温对反向导通特性影响2.1节和2.2节对分立元件和功率模块的特性研究均在常温下进行,然而SiC MOSFET 中导通电阻和寄生PiN 二极管导通电阻有相反的结温系数㊂MOSFET 器件导通总电阻R 可看作是沟道电阻R ch ㊁漂移区电阻R drift 和体区电阻R body 三者之和㊂当器件结温升高,MOS 沟道阈值电压下降,沟道电阻R ch 随之下降但漂移区电阻R drift 和体区电阻R body 随温度上升而增加㊂在-40~30ħ结温范围,沟道电阻占总电阻的主导,电阻结温系数为负;在30~150ħ,沟道电阻进一步减小漂移区电阻和体区电阻比重增大,总电阻结温系数为正[11]㊂另一方面,寄生PiN 二极管随着结温升高,开启电压㊁导通压降和导通电阻均有所下降㊂因此,分立元件在高结温反向导通时,寄生二极管能分得更多的反向电流,反向导通特性中拐点更加明显㊂并且不同关断负压对大电流导通影响变小,如图7所示㊂功率模块中反并联SiC JBS 随着结温上升开启周志达,葛琼璇,赵㊀鲁,等.碳化硅MOSFET 反向导通特性建模研究[J].电工电能新技术,2018,37(10):10-16.13㊀电压下降,但导通压降和导通电阻变大,导致在高结温反向导通时反并联二极管对比体二极管性能优势变小,分流占比有所下降,因此不同负压关断时曲线出现较大差异,如图8所示㊂图7㊀分立元件150ħ不同驱动负压下二极管导通特性Fig.7㊀Diode characteristic under negative drive bias at150ħ图8㊀功率模块150ħ不同驱动正压下反向导通特性Fig.8㊀Reverse conduction under positive bias at 150ħ综上,由于SiC 器件不同结构对结温有完全不同的特性,在反向并联导通时MOS 沟道㊁寄生二极管㊁反并联二极管的分流占比与常温下不同㊂现有模型在常温下沟道反向导通特性采用正向导通模型直接建模,无法准确重现数据手册特性曲线㊂另一方面,对高结温下反向导通特性没有考虑上述差异,仿真模型无法在系统应用中预测器件反向导通的动静态特性㊂因此在不同结温下建立SiC 分立元件以及功率模块反向导通过程的通用仿真行为模型对系统设计和性能评估具有重要意义㊂3㊀反向导通特性建模3.1㊀等效电路与数学模型基于第2节所述的SiC 功率器件反向导通分流情况,本文提出的通用行为仿真模型原理图如图9所示㊂虚线框内为MOSFET 内部结构,L s ㊁L d 和L g 为模型三端口寄生电感,不同的封装形式有不同电感值㊂R g ㊁C gd 和C gs 分别为内部驱动电阻㊁米勒电容以及栅源极间电容㊂T j 为器件结温端口,可定义为外部输入或根据器件发热与壳温T c 通过热阻RC网图9㊀通用行为仿真模型原理图Fig.9㊀Completion of proposed simulation model络进行计算㊂图9中体二极管可作为分立元件体二极管或功率模块的等效反并联二极管进行建模㊂压控电流源G 1㊁G 2受到驱动电压V gs 和源漏极电压V sd 的控制,通过温控参数分别描述正向和反向导通特性㊂针对该模型的正向导通建模在文献[18]中已有详细说明,不再赘述㊂本文主要讨论决定反向导通的电流源G 2的建模过程,其导通电流I S 表达式如式(1)所示㊂式(1)基于经典EKV MOS 模型[19]并将其应用在高压电力MOSFET 中,通常,EKV 模型只能表达沟道中漏极和源极流入电流的差值,漂移区电阻需要额外的进行校正,但在文献[18]中对各个系数进行了整合和修正,使得漂移区修正电阻得以舍去并且所有沟道电流的参数具有更多的温度自由度㊂与常用的Pspice MOSFET 行为模型[14]不同,式(1)可同时描述弱㊁中㊁强反型区特性,对不同结温下MOSFET 沟道的转移特性㊁输出特性均能独立建模㊂I S =p 1{[ln(1+e p 2V gs -p 3)]p 4-[ln(1+e p 2V gs -p 3-p 6V p7sd )]p 4}(1+p 5V sd )㊀(1)式中,p 1~p 7均为模型参数㊂式(1)将低温㊁常温㊁高温下沟道特性视为独立过程分别建模,因此p 1~p 7可表示为结温T j 的二次多项式㊂至此,沟道反向导通特性建模转化为沟道表达式(1)的参数提取过程㊂在数据手册中,第三象限运行特性可表示为不同驱动电压V gs (5V,10V,15V,20V)下漏源极电压V sd 和反向导通电流I st 的关系,其中I st 为沟道导通电流I s 和反并联二极管导通电流I p 之和㊂如前所述,I p 以器件-5V 关断时的曲线为准㊂因此,沟道反向导通电流I s 可以通过I st 和I p 的插值相减得到㊂式(1)的参数提取需要构建I s ㊁V gs 和V sd 的原数据矩阵使得对应的列向量包含数14㊀电工电能新技术第37卷第10期据手册的所有反向导通特性曲线值㊂例如当V gs 矩阵某一列为5V,V sd 矩阵同一列为对应的反向导通漏源极压降,I s 矩阵的对应列则是插值相减后的沟道导通电流I s ㊂利用Matlab 拟合工具箱CFTool,根据数据手册中沟道反向导通电流I s 与V gs ㊁V sd 的特性曲线构造二维函数原数据矩阵,拟合得到p 1~p 7参数值㊂以功率模块CAS300M12BM2为例,其拟合结果见表1㊂表1㊀通用模型参数描述与取值Tab.1㊀Description and values of general model parameters符号描述二次项(T j 2)一次项(T j )常数项p 1跨导斜率-4.82E-06-0.0022 1.64p 2V gs 系数-1.30E-050.00430.75p 3阈值电压0.0032-0.39941.61p 4指数项 3.42E-060.00613.58p 5饱和系数000.001p 6V sd 系数-2.52E-050.00590.79p 7V sd 指数1.20E-06-0.000510.953.2㊀模型验证为验证提出的通用模型对SiC MOSFET 器件反向导通特性建模的正确性,分别对标定1200V /90A 的分立元件C2M0025120D 及标定1200V /300A 的功率模块CAS300M12BM2建立行为仿真模型,在LTSpice 软件中进行反向导通特性实验,将仿真结果与器件数据手册提供曲线对比,如图10~图14所示,其中虚线为仿真特性曲线,实线为数据手册特性曲线㊂图10㊀分立元件-55ħ反向导通特性曲线结果Fig.10㊀Reverse conduction of discrete device at -55ħ由图10和图11分立元件拟合结果可以看出,在不同结温下,提出的通用模型可以较好地拟合体二极管和沟道电阻共同导通的情况,不同的驱动电压对应的反向导通特性曲线精度较高㊂由图12~图14功率模块拟合结果可以看出,不同结温㊁不同驱动电压下与数据手册的曲线重合度较高㊂当结温较低时(-40ħ和25ħ),由于体二图11㊀分立元件25ħ反向导通特性曲线结果Fig.11㊀Reverse conduction of discrete device at25ħ图12㊀功率模块-40ħ反向导通特性曲线结果Fig.12㊀Reverse conduction of power module at -40ħ图13㊀功率模块25ħ反向导通特性曲线结果Fig.13㊀Reverse conduction of power module at25ħ图14㊀功率模块150ħ反向导通特性曲线结果Fig.14㊀Reverse conduction of power module at 150ħ极管被有效旁路,器件反向导通特性可视为反并联JBS 和沟道电阻的并联导通;当器件结温较高时(150ħ),体二极管和反并联JBS 的导通电阻和阈值电压相差较小,器件反向导通机理变为体二极管㊁反并联JBS 和沟道电阻三者同时导通,沟道电阻的周志达,葛琼璇,赵㊀鲁,等.碳化硅MOSFET反向导通特性建模研究[J].电工电能新技术,2018,37(10):10-16.15㊀分流进一步降低,因此驱动电压对反向导通特性的影响变小㊂拟合结果显示,提出的通用模型对功率模块的两种反向导通机理能够有效地进行建模㊂4 结论SiC MOSFET器件的反向导通特性使其能够在同步整流器㊁移相脉宽调制和电机驱动领域发挥独有的优势,可实现运行效率更高㊁器件数更少的系统设计㊂本文首先研究了碳化硅MOSFET分立元件和功率模块在不同结温下的反向导通机理,发现分立元件反向导通过程可视为体二极管与沟道电阻并联导通而功率模块在高结温工况下的反向导通元件则有体二极管㊁反并联JBS以及沟道电阻三个㊂基于不同的导通机理本文给出了统一的通用建模方法,用一个新的压控电流源表达式对反向导通过程中沟道电阻分流进行描述㊂该表达式中的所有参数具有结温自由度,可对不同结温下的导通特性独立建模并给出了详细的参数提取方法㊂为验证提出的通用建模方法的准确性和有效性,本文分别建立了分立元件和功率模块的反向导通行为模型,仿真结果与器件手册曲线在不同结温㊁不同导通压降下均能达到较高的拟合精度㊂除此之外,功率模块在高结温下不同驱动电压的反向导通特性曲线几乎重叠的现象也能通过本文模型再现,该建模方法基本满足反向导通物理规律㊂参考文献(References):[1]钱照明,张军明,盛况(Qian Zhaoming,Zhang Jun-ming,Sheng Kuang).电力电子器件及其应用的现状和发展(Status and development of power semiconductordevices and its applications)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE),2014,34(29):5149-5161.[2]盛况,郭清,张军明,等(Sheng Kuang,Guo Qing,Zhang Junming,et al.).碳化硅电力电子器件在电力系统的应用展望(Development and prospect of SiCpower devices in power grid)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the 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