为超紧凑型EV牵引逆变器打造的高效SiC MOSFET芯片

赛晶科技SiC MOSFET芯片

碳化硅（SiC）具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点，是良好的半导体材料，广泛应用于新能源汽车、光伏逆变、电力储能、服务器电源、工业电源变频、智能电网、轨道交通等各个领域。尤其在新能源汽车领域，碳化硅功率器件有助于实现新能源车电力电子驱动系统轻量化、高效化，在新能源车的主驱逆变器等关键电控部件中发挥更重要的作用。随着全球对于电动汽车接纳程度的逐步提升，碳化硅在未来十年将迎来新的增长契机。

在SiC MOSFET设计中，沟道性能是决定其整体性能的关键因素。Lars Knoll强调，沟道电阻对1.2kV SiC MOSFET的总电阻贡献显著，是优化过程中的重要考量。随着器件特征尺寸的缩小，减小间距就可以减小电阻，这需要与JFET电阻进行精细的权衡。同时，过分追求小沟道间距会由于注入效率的降低而影响体二极管的性能，这进一步增加了设计的复杂性。

因此，追求低电阻通道成为解决这些挑战的重要方向，目标是将沟道电阻降至1mΩcm²以下，以实现更高的功率转换效率和更优的器件性能。这一目标的实现，将推动SiC MOSFET在电动汽车、电力电子、工业控制等领域的应用迈向新的高度。

SiC MOSFET设计的要点之一是芯片布局，以便为快速开关和超低功耗芯片提供坚实的基础。芯片布局通过优化芯片内部的各个组件及其之间的互连，能够实现高效能和高可靠性的完美结合。

Lars Knoll介绍说，赛晶科技的SiC MOSFET芯片采用窄终端设计，边缘到金属层仅为约100μm，元胞间距缩小到5.0μm，这种紧凑设计的短通道设计实现了最佳性能权衡，提高了开关速度并降低功耗。

元胞间的电流扩散注入是SiC MOSFET设计中的另一个重要特点。通过精心设计的电流扩散路径，可以确保电流在元胞间均匀分布，避免热点产生，提高器件的可靠性和寿命。此外，芯片周围的栅极金属浇道采用连续环绕设计，有助于进一步降低电阻并提高电流传输效率。

有源区内多晶硅栅极浇道则提供了良好的栅极控制能力，使得MOSFET能够在高速开关过程中保持稳定的性能。同时，连续AlCu（铝铜）源极焊盘的应用，不仅提高了焊盘的导电性能，还增强了芯片与封装之间的热传导能力，有助于散热。

超高元胞密度布局是SiC MOSFET设计的又一亮点。通过提高元胞密度，可以在不增加芯片面积的情况下，增加器件的电流处理能力，从而提高功率密度。这种布局方式对于实现快速开关GR（Gate Resistance，栅极电阻）概念至关重要，因为高密度的元胞可以更快地响应栅极信号，实现更快的开关速度。

Lars Knoll说，源于出色的设计和工艺，赛晶科技的SiC MOSFET芯片在高温工作条件下展现出了极佳的静态和动态特性，并且达到了行业一流水平的1200V/13mΩ。

关于芯片静态特性，CP测试统计数据显示，阈值电压（Vth）确保了匹配所有设计。JFET导通关键在RDSon（CP），而阻断电压则由漏源击穿电压（BVds）保障，大于1200V的阻断电压满足了高耐压需求。

赛晶科技的SiC MOSFET芯片针对特定性能的静态特性优异，超过1200V的阻断电压具有低反向泄漏能力，适用于宽间距；在导通状态下，电压依赖低RDSon，与参考芯片相比更加优越；在亚阈值滞后方面，栅极电压（VG）扫描显示，Vth表现稳定。

卓越的高温性能也是其静态特征的一大亮点，RDSon在全温域内均具有竞争力。高JFET补偿与强化p阱（p-well）布局减小了温度效应；条带布局在p5.4性能最佳，较小的间距会受到JFET的影响；六角元胞布局整体性能达顶峰。

RDSon在所有选定设计的整个温度范围内都具有竞争力；更高的JFET补偿和强大的p阱（p-Well）布局进一步降低了温度效应；条带布局在p5.4时性能最佳，较小的间距会受到JFET的影响；采用六角形元胞布局具有最佳的整体性能。

动态开关显示，在VD=800V、Inom=150A条件下，所有设计的关断/开通波形平滑，无过度振荡。强p阱布局优化了开启延迟，类似Vth表现，提升了整体性能。

动态分析表明，在25℃条件下对比开关损耗，所有器件的电流均放大至2倍标称，批次间差异合理。在p5.0，给定栅极电阻（RG）的开关损耗最低（可调）；六角形元胞设计关断损耗最大。

另外，在125℃、VD=800V、RG=20Ω条件下，比较开关损耗时，只能对竞争器件C进行表征，比较器件A与E失效。其余器件电流扩至2倍标称，批次间差异合理。在p5.0，给定RG的开关损耗最低（可调），而六角形元胞设计关断损耗最大。

在25℃、VD=800V、ID=150A条件下，观察动态开关分析关断和开通损耗，所有设计都表现出对RGext的出色可控性；六角形元胞对RG总损耗依赖性最高；强p阱可以减小Eon，同时保持Eoff相对较低；较强的JFET注入会增加Eoff并减小Eon，类似于降低Vth。

动态分析VD=800V、RG=40Ω条件下的短路测试，各器件均通过2μs，只有高Rdson（＞20mΩ@175℃）者需要3μs。SC限流为1000A/片，竞争器件B和C RT SCSOA长达3μs，表现逊色。

下表是1200V 140ASiC MOSFET的具体参数，包括：漏极-源极击穿电压、连续漏电流、栅源电压范围、栅极阈值电压、静态漏源电阻、二极管正向电压、栅极输入电阻、短路能力、结温、可靠性，以及开通损耗和关断损耗等。

Lars Knoll表示，HEEV型SiC MOSFET和EVD型SiC MOSFET电动汽车牵引模块，采用灵活的封装设计，广泛覆盖大功率范围需求，有助于提升性能与适应性。

他说，HEEV概念的优势在于，采用压注模封装设计，更易于组装，简捷的夹桥安装简化了工艺流程，同时实现了紧凑的设计。它可以灵活调整芯片数量，采用直接水冷和先进陶瓷基板，确保超低热阻（Rth）。该设计没有大面积基底焊料，采用烧结管芯铜引键合，提升了循环可靠性；压注模塑封技术，为模块穿上一层防护衣，对恶劣环境（湿度等）有较为良好的抵抗作用。

从设计理念到产品，在设计原则上，采用小换向回路、减小开环面积、降低内部杂散电感、平衡芯片源到DC阻抗及栅极耦合阻抗；同时采用对称且低连接电阻低压侧开关，简化了设计概念。