SiC BJT作为高效功率器件的应用

SiC BJT 代表了最具吸引力的SiC 开关结构之一，具有很低的电阻系数、较快的开关速度以及较小的温度依赖性。其良好的短路能力及不存在二次击穿可实现器件可靠工作。我们对与实际应用直接相关的器件性能进行了详细研究，并对以降耗为目的的驱动解决方案进行了测试。鉴于光伏系统降低成本的压力不断增加，我们额外进行了以实现节约为目的的实验，不仅基于SiC 技术，同时包括新型磁芯材料方面。为此，我们在实验室中对一个额定功率为17k w 的小型升压转换器进行了测试，并在本文中给出了结果。
1 引言
1949 年硅双极结型晶体管BJT的发明标志着现代电子学的兴起。 随后的几十年里，它被广泛应用于大信号和低功率电路中，然而在高电压/电流工作方面仅仅局限于给出一些关键的器件特性。第一方面的原因，也许是最重要的方面在于电流增益较低(小于10 )导致驱动损耗很大，尤其是在较高额定电流情况下更是如此。再则，双极晶体管工作时带来较高开关损耗和较大的器件动态阻抗。在这两方面的影响下器件的可靠性也成为一个关键问题。 在正向偏压下，大电流集中形成过热丝通路可能引起器件的损坏。此外，在感性负载开关过程中同时存在的电压电流应力能够使电场应力局部移出漂移区，出现反偏击穿，极大的限制了反向安全工作区(RBSOA)。 因此硅双极晶体管没有短路能力。上面提到的所有缺点和局限性，实际上不是BJT 结构固有的，而是由于与硅材料的结合引起的。SiC 材料凭借其突出的特性可以实现一些令人关注的器件性能，将在后面简要讨论。我们将提供应用实例说明这些器件性能，同时也关注其它问题，诸如工作在更大损耗及更小电感时，实现更高的功率密度和相应的降低成本等主要目标。
2 SiC 双极结型晶体管特性
2.1 静态特性
对BJT 结构而言，芯片实现最低的电阻系数值实际上是可能的，这是由于结电压的消除使得最显著的电阻成分只余下漂移区和接触区电阻 。相比之下，MOSFET与JFET 除此之外还有沟道电阻。考虑到要尽可能节省芯片面积(相关半导体的费用)以及总体损耗的降低，电阻系数起着至关重要的作用，这种关系将在下面的章节中讨论。另一方面，较低的驱动损耗可以通过更高的电流增益来实现，目前要比同级别最好的硅材料器件优越三倍以上。虽然对于SiC 来说，电压等级更高，掺杂浓度高很多，但对于实现击穿电压与基于载流子/掺杂浓度决定的增益之间的特定折衷在这里仍然有效。
2.2动态特性--开关损耗和动态阻抗
采用SiC 材料，BJT 的漂移区厚度可显著减少，从而导通过程中过剩电荷大大降低，使得实际工作中相当于一个单极结构。例如，这种情况可在陡直的开关波形中观察到，与额定值相同的高速沟槽IGBT相比，开关能量减少75% 。考虑开关损耗整体水平相同情况下，这可以使开关频率比实际值高出4 倍以上。在更高开关频率的路径中，不仅考虑开关损耗非常必要，而且能够关注器件导通行为的动态影响。IGBT 器件很大程度上依赖于电导调制，在导通后不久将遭受因为非完全的等离子注入过程引起的导通损耗增加，这种影响可以从图1左侧图中观察到，图中示出了高速IGBT 的高分辨率钳位电压测量结果 。对于SIC BJT 来说，标称电压突然瞬变触发了钳位电路的电压降，同时伴随着一些高频振荡，如图l 中右侧图所示。为了更好地理解电导率调制对高开关频率下的导通损耗的影响，对IGBT 的正向压降的瞬态行为按照指数衰减函数进行了模拟。硅IGBT 代替SiC BJT后系统运行有关的导通损耗会增加，在考虑不同的开关频率和占空比水平下进行了计算，结果如图2左侧图中所示。在50kH z附近差异已经达到7 % ，这表明采用S IC 器件具有显著优势。
2.3 器件基准：芯片面积及损耗水平
更低的芯片电阻系数和更低的开关能量的重要意义在于提供了相同电流额定值(由应用决定)时较低成本支出和较小损耗的可能性。如图2右侧图形所示，为相同的单位总损耗下的固定额定电流的结果。同时考虑了两种损耗成分，即假定在相同开关频率! 降低约75 % 的开关能量下的导通损耗和开关损耗。考虑所研究的SiC BJT 的特性，与系统采用的先进的硅IGBT 相对比，可以得出两个有意义的结论。首先，可以实现直接芯片面积减小5 % ，这可以部分补偿较高的S IC 材料成本，同时可以采用更小! 更便宜的封装和/或功率模块。另一方面，损耗减少了50 % 以上，这可以理解为不仅效率水平更高，而且更重要的是提供了实际尺寸减半以及散热片和冷却系统成本减半的可能性 。
2.4 可靠性
SiC BJT 器件几乎没有之前提到的正向偏压损坏现象，这是由于器件增益特性避免了大电流集中导致的过热丝通路的形成。另一方面，反向偏置击穿变得不再那么关键，因为较高的掺杂浓度使得该问题只有到了更高电流密度等级时才需考虑。最初的测试表明SiC BJT 实际短路能力要优于相同额定值的硅IGBT 。另一方面，最初在一些SiC BJT中发现了所谓的双极器件劣化现象，即增益降低和器件电阻增大。这是由于在低掺杂的集电极区存在堆垛层错引起复合过程发生，这在早期的SiC 的PIN 和JBS 二极管中也曾被发现。在最新的器件中，通过采用低基面位错密度的材料，这种影响已几乎消除。 2.5 高温工作
高结温能力通常与军事和太空领域恶劣环境条件下的应用有关。然而SiC 器件在消费电子和电源转换方面的应用也许能从中受益，它们要求更高的功耗密度! 更优越的芯片负载电流能力和更低的冷却成本l7] 。在这方面，BJT 是首选的结构之一，主要原因在于没有温度相关的可靠性问题，可降低芯片的温度依赖性。测量结果表明，125 K 温度改变能够给SIC BJT 带来75% 的增加量，而SIC JFET 的变化却高达145 % 。
2.6 器件不足
或许与其他SiC 器件相比，BJT 结构主要的不足之一是单向导通能力，这意味着没有同步整流工作的可能。然而可以通过相对较少的工作，在结构中集成PN 结或者MPS SiC 二极管解决，正像文献中说明的那样。但这种做法会导致额外的损耗，而且与双向电流工作的器件相比需要更多的芯片面积。另一个问题是驱动损耗仍然比电压控制器件要高。降低电源电压可以使其大大降低，但同时也导致更高的开关损耗和更大的基极电流的变化。采用两个不同电压等级驱动器件可以得到大大节约，将在实验结果中进行介绍。