在碳化硅(SiC)技术的应用中,许多工程师对SiC的性能评价存在误解,尤其是关于“单位面积导通电阻(Rsp)”和“高温漂移”的问题。作为“碳化硅何以英飞凌”的系列文章,本文将继续为您揭开这些误区的真相(误区一见:碳化硅何以英飞凌?—— 沟槽栅技术可靠性真相),并介绍英飞凌如何通过技术创新应对这些挑战。
常见误区2:
“SiC的性能主要看单位面积导通电阻Rsp,电阻越小,产品越好。
与平面栅相比,沟槽栅SiC的电阻在高温下漂移更大,这是否会影响可靠性”
01、多元化的性能评价更全面
● Rsp并非唯一评价标准
虽然Rsp越小,导通损耗越低,但SiC器件的终极目标是长期可靠地实现更高效率的能源转换。因此,除了导通损耗,开关损耗、封装技术、鲁棒性和可靠性同样重要。
● 开关损耗的重要性
芯片自身的损耗,主要取决于开关损耗和导通损耗。不同的应用两种损耗的比例非常不同,在高频硬开关应用中,开关损耗的占比等同于甚至可能超过导通损耗。英飞凌的第二代SiC技术,不仅在Rsp上领先,开关损耗也是业界最低的。(见对比图)
● 封装技术的优化
英飞凌原创的.XT超级扩散焊技术,取代了传统焊料层,显著降低30%的结壳热阻,应用中可提升15%的输出能力。此外,英飞凌模块的杂散电感设计也得到了优化,减少了尖峰电压的冲击与震荡。
● 鲁棒性和可靠性
鲁棒性,反应的是极端动态工况下的性能表现(长期满载、长期户外等恶劣环境),英飞凌的SiC产品已经拥有超过十年以上的光伏等户外场景的长期验证;
可靠性,是长期工作稳定性及使用寿命。英飞凌采用的是更为严苛、超越行业JEDEC标准的可靠性测试标准,再追加上我们筛选栅极氧化层缺陷的高效测试方法,英飞凌的可靠性足得到最大化的保障。
(关于可靠性的深入解读,请参考“碳化硅何以英飞凌”系列文章一)
02、高温漂移的真相
沟槽栅SiC的导通电阻在高温下漂移更大,这是否会影响可靠性?
● SiC材料的物理特性:
SiC的导通电阻(Rdson)构成中,有两个重要的参数:沟道(Channel)电阻和外延层+JFET(Drift+JFET)电阻。外延层和JFET电阻会随温度升高而上升,这是SiC材料的物理特性。
● 沟槽栅的温度特性:
沟槽栅的沟道电阻经过优化,电子就像在高速隧道中行驶,沟道电阻占比更小,因此外延层电阻占比更大,导致Rdson随温度升高而上升的现象更显著。这种正温度特性并不影响器件的可靠性。
● 平面栅的温度特性:
平面栅的水平沟道缺陷率较高,电子在通过时容易被捕获,但随着温度升高,电子的捕获-释放过程更加活跃,导致沟道电阻随温度上升而下降,补偿了外延层电阻的上升。这种温度漂移不明显的背后,其实只是两种电阻温度特性相互抵消后的表现而已。它恰恰证明了,平面栅的水平沟道缺陷带给导通性能的影响是客观存在的,这也会对碳化硅产品的可靠性产生隐患。
从平面栅厂家的最新发布数据中,平面栅的最新一代技术也在不断优化沟道电阻,优化后的平面栅,也被发现其最新技术的温度漂移会比上一代更明显。伴随更多的碳化硅器件厂家开始转向沟槽栅Trench技术,导通电阻的温度漂移现象会越来越常见。
理解温度漂移本身只是理解了参数现象,最终我们还是要解决客户的实际使用问题。为了便于客户设计,英飞凌CoolSiC™ MOSFET G2的规格书可以提供高温下导通电阻的最大值,让客户的设计减少不必要的降额设计,从而用足器件的最大出力。
结论:
● SiC性能评价原则是多元的,有开关损耗、导通损耗、封装热阻/杂感、鲁棒性及可靠性等。
● 高温漂移现象反映了SiC的物理特性,英飞凌为用户提供全面完善的设计参数,便于更高效地用足器件性能。
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