Qorvo SiC FET与SiC MOSFET优势对比

在之前一篇题为《功率电子器件从硅（Si）到碳化硅（SiC）的过渡》的博文中，我们探讨了碳化硅（SiC）如何成为功率电子市场一项“颠覆行业生态”的技术。如图1所示，与硅（Si）材料相比，SiC具有诸多技术优势，因此我们不难理解为何它已成为电动汽车（EV）、数据中心和太阳能/可再生能源等许多应用领域中备受青睐的首选技术。

图1.硅与碳化硅的对比

众多终端产品制造商纷纷选择采用SiC技术替代硅基工艺，来开发基于双极结型晶体管（BJT）、结栅场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）的电源产品。然而，Qorvo研发的SiC“共源共栅结构”FET器件（如图2所示）使这项技术更进一步。这些器件基于独特的“共源共栅结构”电路配置，将一个常开型SiC JFET器件与一个硅基MOSFET共同封装，形成一个集成的常关型SiC FET器件。在接下来的段落中，我们将详细阐述 Qorvo 研发的 SiC FET（共源共栅结构FET）相较于同类SiC MOSFET的显著优势。

图2.Qorvo SiC FET（“共源共栅结构”FET）器件结构框图

与硅基器件相比，采用SiC可获得哪些优势

SiC MOSFET或SiC FET与硅基器件相比拥有几个显著优势。首先，SiC作为一种宽带隙材料，具有更高的击穿电压，因而可以使用更薄的器件来支持更高的电压。除此之外，SiC相较于硅基器件还有以下优势：

• 对于给定的电压和电阻等级，SiC可以实现更高的工作频率，因此可以减少无源器件的体积，从而减小整个系统的尺寸及成本

• 对于更高的电压等级（1200V或更高），SiC能够以较低的功率损耗实现高频开关；而在如此电压等级下仍能胜任的硅基器件实际上几乎不存在

• 在任何给定的封装中，SiC相对硅基产品具有更低的导通电阻和开关损耗

• 在与硅器件相同的设计中，SiC能够让客户获得更高的效率、更出色的散热性能，和更高的系统额定功率

这些优势同样体现在Qorvo SiC FET的性能上。作为一种更新且功能更强大的器件，Qorvo SiC FET针对多种功率应用进行了优化，并带来了以下额外收益：

• Qorvo SiC FET的架构采用标准硅栅极驱动器，这使得从硅到SiC的过渡更加顺畅，同时也为设计师提供了更大灵活性

• 在给定封装中，具有行业最低的漏-源导通电阻 RDS(ON)，可最大程度提升系统效率

• 更低的电容允许更快的开关速度，进而实现更高的工作频率；这进一步减小了电感器和电容器等大体积无源元件的尺寸

• 与硅基IGBT相比，SiC FET在更高电压等级（1200V或更高）能够实现更高的工作频率。硅基IGBT虽然传统上服务于这一细分市场，但通常速度较慢，仅在较低频率下使用，因此开关损耗较高

• Qorvo SiC FET器件能在给定RDS(ON)的条件下获得更小的裸片尺寸，并减轻SiC MOSFET产品常见的栅极氧化物可靠性问题

SiC MOSFET vs. Qorvo SiC FET：深入对比

让我们花一些时间更深入地了解SiC MOSFET与Qorvo SiC FET两种功率技术间的差异。从下面的图3中，我们会发现SiC MOSFET技术不同于Qorvo的集成SiC FET——这是精心设计的结果。Qorvo利用SiC JFET消除了SiC MOSFET的栅极氧化层，进而消除了沟道电阻，让裸片尺寸更为紧凑。

Qorvo SiC JFET较小的裸片尺寸成为其差异化优势的一个关键所在，并通过图4所示的‘RDS(ON) x A’(RdsA)品质因数（FOM）得到最佳体现。这意味着对于给定的芯片尺寸，Qorvo SiC FET提供了更低的导通电阻额定值；换言之，在相同的RDS(ON)条件下，Qorvo SiC FET所需的SiC裸片尺寸更小。Qorvo凭借在RdsA FOM方面的卓越表现树立了行业领先地位；其所提供的超低额定电阻产品能适用TOLL和D2PAK等相对较小的行业标准封装，让这一点得以充分展现。

图3.SiC MOSFET与Qorvo SiC FET的比较

Qorvo的SiC FET与SiC MOSFET相比具有更低的输出电容Coss。输出电容较低的器件在低负载电流下开关速度更快，电容充电延迟时间更短。这意味着，由于减少了对电感器和电容器等较大体积无源元件的需求，使得终端设备能够实现更小的体积、更轻的重量、更低的成本，并获得更高的功率密度。

图4.Qorvo SiC FET与SiC MOSFET竞品对比

SiC MOSFET还面临以下技术挑战：

• SiC MOS沟道电阻高，导致电子迁移率较低
• 在栅极偏压较高的情况下，Vth可能发生漂移；这限制了栅极到源极的电压驱动范围
• 体二极管具有较高的拐点电压，因此需要同步整流
• 然而，采用Qorvo SiC FET后，上述缺陷得以根本解决，原因如下：
• SiC JFET 结构的器件上摒弃了MOS（金属氧化物）结构，因此器件更加可靠
• 相同芯片面积下，漏极至源极电阻更低
• 电容更低，相当于更快的开关转换和更高的频率

主要结论

尽管市场上可供选择的SiC功率半导体种类繁多，但在某些特定应用中，一些器件的表现确实比其它器件更为出色。Qorvo的集成SiC“共源共栅结构”FET技术便是其中的佼佼者；其凭借低RDS(ON)、低输出电容，和高可靠性等独特优势提供了卓越性能。这些品质因数推动Qorvo的SiC FET技术在其它技术无法企及的领域大放异彩。此外，SiC FET的附加性能使其在AC/DC电源单元、DC/DC储能和可再生能源应用，以及电动汽车快速充电器中实现更高的效率。