同為工程師，沒(méi)有人想發(fā)生意外。盡管已經(jīng)盡量在設(shè)計(jì)中使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 “典型” 數(shù)據(jù)，但還是會(huì)發(fā)生意外，尤其在與溫度相關(guān)的情況中。本文將討論功率晶體管的重要參數(shù)以及這些參數(shù)如何受溫度的影響，進(jìn)而激發(fā)大家進(jìn)行深度思考。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動(dòng)汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

仔細(xì)想想就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)我們生活在 “非典型” 世界里。我們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到或使用 “典型” 一詞，在某種程度上，該詞是 “平均” 的同義詞，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，“平均” 也可能只發(fā)生過(guò)一次，所以不要事事優(yōu)先考慮 “典型”。

“典型” 的另一種解釋是形容發(fā)生得很頻繁以至于可以預(yù)測(cè)的事情。行為傾向尤其如此，當(dāng)我們開(kāi)始思考行為的頻率時(shí)，不可避免地會(huì)聯(lián)想到時(shí)間。

“時(shí)間” 是一個(gè)有趣的概念，尤其是因?yàn)闀r(shí)間永遠(yuǎn)無(wú)法重復(fù)。那么，我們?yōu)槭裁匆^察某段時(shí)間內(nèi)的行為頻率呢？可能是因?yàn)槲覀兎浅Ｉ瞄L(zhǎng)模式識(shí)別。我們能夠自如地應(yīng)對(duì)模式識(shí)別，而且 “典型” 模式已經(jīng)成為衡量行為的首選方式。

這可能是我們?yōu)榱颂幚砻刻旖邮盏降拇罅啃畔⒍_(kāi)發(fā)的一種機(jī)制。如果我們無(wú)法將事件歸類為 “典型”，即使該事件在靈活的變動(dòng)幅度內(nèi)，我們也要花費(fèi)一整天，甚至每一天，來(lái)評(píng)估我們接觸到的一切。

當(dāng)我們希望將 “典型” 延伸至 “總是” 或 “一成不變” 時(shí)，問(wèn)題就來(lái)了。意外往往在我們最意想不到的時(shí)候出現(xiàn)，這就是 “意外” 的含義。但作為工程師，我們真的不喜歡意外，至少在設(shè)計(jì)中不希望出現(xiàn)意外，所以我們會(huì)盡一切可能避免發(fā)生意外。這讓我們嚴(yán)重依賴于數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 “典型” 數(shù)據(jù)，但這時(shí) “意外” 總是接踵而至。

在需要與溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)，我們常會(huì)使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 “典型” 數(shù)據(jù)。但在這個(gè)過(guò)程中，我們實(shí)際上將兩個(gè)變量視為了常量。如果能理解這一點(diǎn)，那就好辦了。因?yàn)楣こ處熣J(rèn)識(shí)到了他們可能需要根據(jù)實(shí)際工作條件來(lái)調(diào)整相關(guān)的數(shù)據(jù)。真正的問(wèn)題在于，如何進(jìn)行假設(shè)，將某個(gè)器件的數(shù)據(jù)外推到另一個(gè)具有類似典型數(shù)據(jù)的器件上。

功率晶體管有幾個(gè)重要參數(shù)，或者說(shuō)品質(zhì)因數(shù) (FoM)，比如漏極-源極電阻 (Rds) 和開(kāi)關(guān)損耗 (Eoss)。這些數(shù)據(jù)通常會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供，但其隨溫度的變化情況卻少有記錄。晶粒面積也會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，于是出現(xiàn)了 RdsA FoM，或者與面積相關(guān)的 Rds。

當(dāng)然，這些都是 “典型” 數(shù)據(jù)，而且通常都是工作溫度為 25℃ 時(shí)的數(shù)據(jù)。此外，這些數(shù)據(jù)通常也來(lái)源于 “典型” 條件下的 Rds(on)，而未考慮 Rds(on) 也會(huì)隨溫度變化而變化，更重要的是，這些數(shù)據(jù)同樣未考慮到不同的架構(gòu)而導(dǎo)致的變化。

這些不同在諸如 UnitedSiC 的 UF3C065040K3S 650V SiC 共源共柵器件中更為明顯，該器件在 25℃ 條件下記錄的 Rds(on) 最大值為 52mΩ，而典型值僅為 42mΩ。與 Rds(on) 最大值為 45mΩ、典型值為 40mΩ 的 650V 超結(jié) MOSFET 相比，超結(jié)器件在該特定 FoM 方面的性能似乎更出色。但在超溫條件下，情況就大不一樣了，如圖 1所示。當(dāng)溫度接近 150℃ 時(shí)，超結(jié)器件的 Rds(on) 達(dá)到 96mΩ，而 SiC 共源共柵器件只有 78mΩ。事實(shí)上，即使在 175℃ 條件下，SiC 器件的 Rds(on) 仍只有 78mΩ，遠(yuǎn)低于超結(jié)器件的 Rds(on)。

圖 1：SiC 共源共柵器件與超結(jié) MOSFET 器件的 Rds(on)

從圖 1可以非常清楚地看到，SiC 共源共柵器件的 Rds(on) 增長(zhǎng)率遠(yuǎn)低于超結(jié) MOSFET 的 Rds(on) 增長(zhǎng)率，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)檫@個(gè) FoM 影響著所有其他 FoM，所以如果應(yīng)用的工作溫度高于 25℃，密切觀察 Rds(on) 隨溫度變化的情況是重中之重。

溫度與導(dǎo)電損耗的相關(guān)性在于，溫度越高，SiC 共源共柵 FET 所耗散的功率就越低。在 150℃ 條件下，SiC 共源共柵 FET 的功耗比超結(jié)器件低 30%。由于功率耗散也會(huì)導(dǎo)致溫度升高，所以功耗損耗越低也意味著整體溫度越低，Rds(on) 值也因此更低。此外，Rds(on) 較低意味著相關(guān)應(yīng)用可以搭載更高的電流，在使用相關(guān)器件的應(yīng)用中，這一特性意義非凡。該 FoM 的另一個(gè)積極影響在于，可讓晶粒面積保持最小，從而有助于降低開(kāi)關(guān)損耗和體二極管損耗。

SiC 共源共柵 FET 的 Rds(on) 隨溫度變化的增長(zhǎng)率較低，這是該技術(shù)的固有特征，且與相關(guān)材料中摻雜含量較高的 SiC 緊密相關(guān)。在所有半導(dǎo)體材料中，電子遷移率隨溫度的升高而提高，而 SiC 能夠減緩電子遷移率的下降速度。加上 SiC 在柵極電荷及其他 FoM 方面的優(yōu)勢(shì)，工程師便自然能夠明白使用 SiC 共源共柵 FET 如何能幫助實(shí)現(xiàn)重大設(shè)計(jì)改進(jìn)，又如何能降低系統(tǒng)級(jí)成本。

數(shù)據(jù)手冊(cè)有助于我們深入了解器件在一系列條件下的工作原理，但我們需要清楚溫度對(duì)數(shù)據(jù)的影響，而不是對(duì)不同類型的器件進(jìn)行籠統(tǒng)假設(shè)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。