Si mosfet和SiC mosfet的导通电阻特性浅析

Si mosfet是一直以来应用广泛的半导体功率器件，SiC mosfet是近些年应用逐渐广泛的半导体功率器件，二者在多方面特性上具有不同的特点，本文重点讨论一下Si mosfet和SiC mosfet在导通电阻上的差异特性。

一.Si mosfet和SiC mosfet的导通区域

传统Si mosfet在两个状态之间快速切换工作，切换电压就是VTH,当VGS小于VTH时，器件处于阻断状态，此时VDS是高阻，ID电流为0，当VGS远大于VGS后，mosfet将处于饱和区域，RDS变为接近最小的导通阻抗，ID是最大的电流状态，这时器件是充分导通的。

对于Si mosfet，其线性区和饱和区是非常分明的，当VGS电压大于VTH时，逐步由线性区移到饱和区，此时RDS是一个较小的电阻，在过渡阶段ID电流和VGS电压的比值比较大，也就是说如下式中表示的，较小的VGS电压变化，会产生较大的Id变化，这个比值称为跨导，所以说，Si mosfet的跨导是比较大的，同时它也是mosfet的输出到输入的增益。

这里我们通过一个典型的Si mosfet及SiC mosfet的VDS和Ids电流关系曲线，来理解其导通特性，如图1所示。

图1 Si及SiC mosfet的导通特性比较

如图1中，红色曲线为Si mosfet的输出I-V特性曲线，而黑色曲线为不同VGS下，SiC mosfet的I-V特性曲线。

对于Si mosfet来说，如图1中，红色曲线，在VGS大于VTH时，经历一个高增益的线性区，I-V特性非常陡峭，而VGS足够大时，其I-V特性基本是平坦的，最大电流ID变化不大，所以说Si mosfet在饱和区是一个非理想的电流源。

而对于SiC 的I-V曲线来说，它是没有饱和区的，它更像一个电压控制的可变电阻，而不是非理想电流源，所以，它的跨导gm增益比较小，以如下式来确定其电压VGS和电流ID关系，若要提高导通电流，只能提高其门级驱动电阻VGS.

我们以两个运行点为例进行说明，同样是20A的负载电流，一个是VGS为14V的运行I-V曲线，从曲线上读出对应的VDS电压为8.75V,则可以求出其导通电阻RDS为438mohm，如下式表示。

另一个点为VGS为20V的运行I-V曲线，从曲线上读出对应的VDS电压为3.75V,则可以求出其导通电阻为188mohm，如下式表示。

从上述计算结果来看，VGS为12V的导通电阻是VGS为20V时的导通电阻的2倍以上，这对于导通损耗来说是非常不利的，那么我们最终得出一个结论，比较优化的SiC mosfet导通门级电压是在18V-20V区间内。当采用较低的VGS门级电压时，较大的导通电阻将产生较大的热损耗，很容易导致热应力的问题。

二.Si 及SiC mosfet的导通电阻温度系数

对于SiC mosfet来说，施加一定的Vgs电压，其单位面积的导通阻抗是比较小的，总的来说，其导通阻抗包含三部分，RCH沟道电阻是较熟悉的部分，它是NTC负温度系数的特性，而另外两部分阻抗，分别为JFET电阻RJ,漂移区电阻RDRIFT,这两部分阻抗为PTC正温度系数特性。

图2 SiC mosfet导通电阻和结温关系

从图2上来看，当VGS较低时，如VGS为14V,导通电阻和温度关系呈现抛物线形式，随温度变化阻抗先减小后增加，而当VGS较大时，如大于18V时，则导通电阻和温度关系是正向比例形式，它的PTC特性占主导地位。

相对于SiC mosfet随VGS电压变化，其阻抗的温度系数变化较大，而传统的Si mosfet，一旦VGS大于VTH，整个VGS工作区间其温度系数都是PTC特性，因此大电流应用时的器件并联比较容易。

所以，经过上述分析，对于SiCmosfet来说，为了尽可能减小其导通电阻，我们通过提高VGS到18V-20V之间以便得到较大的ID电流能力，同时为了可以得到PTC正温度系数的阻抗特性，也要求VGS电压达到18V-20V以上的电压，这样在SiC mosfet并联应用时，就可以像Si mosfet一样自然平衡各个SiC mosfet电流。相反，如果以较低的VGS电压去驱动并联的SiC mosfet，则容易由于NTC的温度特性占主导，从而导致热应力大的问题及由于电流不均导致的热失控问题。

总结，SiC mosfet作为新型的宽禁带功率器件，我们注意到其优越的特性之外，也要注意它和传统Si mosfet的特性不同之处，导通阻抗就是一个非常重要的方面。