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碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向导通电阻低、开关速度快、驱动电路筒单等优点。碳化硅MOSFET的漂移区相对较薄，它的正向导通电阻低，导通损耗也小。由于正向电阻小,所以相较于传统硅IGBT，在相同的耐压和导流能力条件下碳化硅MOSFET的面积可以更小，从而其结电容也更小（相对介电常数：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），较小的结电容使得器件的开关速度更快。
碳化硅MOSFET是电压型驱动器件，驱动功耗较低，而栅氧结构让它的栅极输入阻抗极大，所以碳化硅MOSFET的驱动电路相对筒单，并且从电路拓扑上来说传统硅IGBT的驱动电路可以直接驱动碳化硅MOSFET，所以碳化硅功率MOSFET被视为硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用图2.3中的垂直型DMOS来说明。
当栅源之间存在正偏压，并且高于阈值电压时，栅极下方在SiC表面形成了反型沟道，从源极到漏极形成了导电通路，MOSFET导电通路的等效电阻由如图2.3中所示的几个部分等效电阻串联组成。
当栅源之间短路或者在栅源之间施加反偏电压时，沟道被断开，源极到漏极的电流通路不复存在，漏源之间开始具备承受高电压应力的条件。
从器件内部来看，正向阻断的电压应力绝大部分由Ｎ－漂移区承担，图2.4显示了漂移区－中电－势分布的示意图。
碳化硅MOSFET存在反向并联的体二极管，从图2.4中可以看到从源极到漏极是PinＰ结构，即ＰＮ结二极管。
在电路应用中，通常在开关器件两侧反向并联一个二极管，比如在桥臂电路中IGBT管两端反并一个二极管满足续流导通的需要。碳化硅MOSFET内部集成的体二极管能起到和反并二极管相同的作用，省掉反并二极管可以简化电路拓扑，降低器件成本。
可是在实际情况中，直接用SiC MOSFET的体二极菅作为反并二极管会存在一些问题。该体二极管一般是PN结结构，由于碳化硅ＰＮ结二极管的正向门槛电压很高（2.7V），体二极管续流时将产生较大的功率损耗，同时由于PN结二极管存在反向恢复过程又会进一步增加开关损耗，该损耗还会随着温度的升高而增加[69]。
因此，Sic MOSFET的体二极管很少被直接作为反并二极管使用。现在有一些研究团队通过对MOSFET的结构设计来提高体二极管的性能。
碳化硅MOSFET的输出特性
以Cree公司的碳化硅MOSFET（CMF20120D）为研究对象，对其静态和动态特性进行了测试和分析。碳化硅MOSFET（CMF20120D）的最高耐压为1200V，室温下导通电阻为80ma它的输出特性如图3.13所示，栅极电压和结温的改变都会对器件的导通性能产生影响。
器件的导通性能会随着栅压的升高而提高。随着栅源电压的升高，栅氧下方的沟道电阻减小，从而器件的导电能力也随之增加。公式（3.12）可以近似的表明沟道电阻和栅压之间的关系。
其中Rch为沟道电阻，Lch为沟道长度，Ｚ为器件在ｚ方向的长度，μin为沟道电子迁移率，Ｃox为栅氧层的比电容，Vgs为栅极电压，Vth为阈值电压。
器件的导电性能还跟温度有关。栅压较高时，MOSFET的沟道电阻较低，器件的导通能力主要受限于漂移区电阻，而碳化硅半导体内电子迁移率随着温度升高而降低，如公式（3.15）所示（μ（300）为结温为300K时的电子迁移率，λ为小于０的常数，Ｔ为温度，单位开尔文），因此漂移区电阻随着温度的升高而升高，碳化硅MOSFET的导通能力随着温度的升高而降低。
在实际电路应用中，器件绝大部分情况下都是工作在高栅压偏置的条件，结温的升高对器件的应用性能是不利的，在分析器件的功率损耗时，需要以可能的最高工作结温为条件计算器件的导通损耗，如公式（3.15）所示，
另一方面，栅压偏置较低时，SiC MOSFET的沟道电阻较大，占了导通电阻的主要部分，此时沟道电阻的温度特性对器件的性能起主导作用。
同时，栅氧层与碳化硅交界面上的陷阱对碳化硅MOSFET的沟道性能产生影响，具体可以分为对阈值电压的影响，和直接对沟道电阻的影响。首先，界面态对阈值电压的影响。在栅压较低的条件下，MOSFET的反型沟道中的电子数目有限，器件的导通能力主要受限于沟道电阻，对碳化硅MOSFET来说，在低栅压情况下反型沟道中的电阻数目随着温度的升高而增加，原因在于阈值的温度依赖性，图3.14展示了MOSFET转移特性随温度的变化。栅氧和SiC的交界面上的陷阱在电子经过其附近时会概率性的捕获电子，这些被捕获的电子就会对栅压产生影响，造成阈值电压升高。
随着温度升高，电子更加活跃，被捕获的电子数量减少，所以阈值电压受到的影响减小，从而导致实测阈值电压随着温度升高而下降。在栅源电压相同的情况下，较小的阈值电压对应的沟道电阻也更小，如公式（3.14）所示的阈值电压与沟道电阻的关系，因此器件总的导通性能得到增强。
其次，是界面态对沟道电阻的直接影响。陷阱中的电子产生的电场会阻碍沟道电子的通行，温度升高让陷阱中的电子减少，这种阻碍作用也随之变弱，沟道电阻相应的就减小了，所以MOSFET的正向导通电阻也随之减小。
综合以上两点，碳化硅MOSFET在低栅压时，其导通能力随着温度的升高而提高。
碳化硅MOSFET的Ｃ－Ｖ特性
碳化硅MOSFET的结电容分为Cds、Cgs和Cgd，它们在MOSFET内的等效位置如图2.8所示，Cds和Cgd等效电容中间的介质层是耗尽区，因此这两个结电容会随着阻断电压的增加而明显的减小，而Cgs是氧化层两端栅极和源极之间的等效电容，介质为氧化层，它的距离几乎不会随着阻断电压变化，所以Cgs的值不会随着阻断电压发生变化。
碳化硅MOSFET的C-V特性如图3.15所示，Ｃoss为输出电容等于Cds＋Cgd该电容在零偏压时大约3nF，之后随着漏源偏置电压的升高而降低；Ciss为输入电容等于Cgs＋Cgd，该电容在零偏压时大约为3nF，由于Cgs》Cgd所以几乎不会随着漏源偏置电压变化；Crss为反向转移电容Cgd，该电容在漏源零偏压时约为1.2nF，之后随着漏源偏置电压升高而降低。
开关器件的结电容和开关过程紧密相关，因为开关过程一方面是沟道开通和关闭的过程，另一方面也是结电容充放电的过程。
开关器件的关键在于栅压的控制，开关速度和输入电容Ciss相关。以开通过程为例，栅压从低电平升高到高电平并稳定，伴随着Cgd和Cgs的充电过程，Cgs的充电电荷为
Cgd的充电电荷为
在充电电流一样的情况下，显然Cgs和Cgd越小，充电时间越短。碳化硅MOSFET的结电容非常小，所以开关速度很快，但是高开关速度会给器件带来更大电应力，比如电压过冲，电流振荡等问题，因此碳化硅MOSFET的性能利用需要更优化的电路设计来支持。
碳化硅MOSFET的动态特性
SiC MOSFET的动态特性通过图3.2的双脉冲测试电路进行测试，测试电路和器件的具体参数如表3.1所示。器件在不同温度条件下（25°Ｃ，100°Ｃ，150°Ｃ）进行开关特性的测试，测试结果如图3.16所示。
从结果中可以发现，碳化硅MOSFET的电压和电流变化波形基本符合上述理想开关过程的分析，不同的是在电压和电流变化结束的时候实测波形存在比较大的振荡，这个振荡主要是由结电容和寄生电感形成谐振产生。开通过程中，电流Id达到负载电流值的时候，电流变化率发生跳变，从而引起寄生电感Ld＋Ls＋L1和二极管结电容CD的振荡，具体电路参看图3.4，因为共源极电感Ls的存在，使得Vgs也受影响产生振荡。关断过程中，电压上升到最高点后，MOSFET的输出电容Ｃoss和引线电感以及二极管的等效串联电阻发生阻尼谐振；电流下降到零后，电流变化率发生跳变，引线电感和二极管结电容发生谐振，同样由于共源极电感Ls，Vgs随之振荡。
随着结温的升高，CMF20120D的开通速度变快而关断速度变慢这是由于结温影响了转移特性（图3.14），阈值电压和＆值都随着温度改变，关于转移特性随温度变化的特性将在第四章进行详细介绍。通过对开关波形的计算，可以得到不同温度下器件的损耗，如图3.17所不。由于开通和关断过程随结温的变化不一样，导致损耗也不一样，开通损耗随着结温升高而降低、关断损耗随着结温升高而升高，总开关损耗随着结温升高而降低。
SiC 功率模块
SiC MOSFET是最有潜力的碳化硅电力电子器件，以往的研究表明SiC MOSFET在开关电路应用中具有优良的性能，比如耐高温、开关速度快、工作频率高等。为了发挥出SiC MOSFET的高性能，器件的外部电路和系统设计提出更多、更高的需求。
在高温应用中，除SiC MOSFET外，其周边的其他元器件和封装材料都需具备耐高温特性，特别是在电力电子装置朝高功率密度方向发展的趋势下，系统热设计成为和电设计相同重要的内容，同时也增加系统的设计难度和设计成本。
SiC MOSFET开关速度相对硅功率器件要快很多，高速开关使得SiC MOSFET的开关损耗降低，但同时也会增加器件应力，高di/dt在功率回路的寄生电感上产生了高压降并叠加到器件两端，在半桥电路应用中高dv/dt还会引起串扰现象，使得本应关断的器件可能再次开启，造成开关损耗大大增加甚至导致器件短路，若要安全并高效的利用好SiC MOSFET，需要对功率回路和驱动回路进行更加优化设计。
高频应用，意味着更高的开关损耗，损耗带来器件的温升和整机效率的降低，而减小开关损耗和提高系统散热能力是主要的解决途径。
减小开关损耗的方法，一是优化应用电路进一步提高开关速度，二是采用软开关，两者都是提高了设计难度，同时也增加了电路的复杂度
总结上面的SiC MOSFETＴ高性能带来的问题，答案可能会集中在紧凑的布局设计和良好的导热设计上，而这两点在SiC MOSFET分立器件中都无法很好的解决，只有模块应用才能得到比较好的综合性能。
此外，目前关于SiC MOSFET的一个热门应用研究是基于电动汽车电机驱动的应用，电机驱动的输出功率较大，即使小型电动汽车也有几十千瓦的功率等，所以单个SiC MOSFET是无法达到这样的功率容量要求的，只有多芯片并联的方式才能够满足功率需求。
SiC MOSFET目前依然价格偏高，尽管在大功率应用中可以通过冷却系统的成本降低来减少系统总成本，但在中低功率系统中很难从其他方面（比如散热系统简化、无源器件减小、运行损耗降低等等）来平衡SiC MOSFET芯片的成本增加，因此从降低系统成本角度出发，对于特定功率容量的模块，芯片数量的优化是一个需要考虑的方面。
功率模块是SiC MOSFET的最重要封装形式，不仅可以较容易实现功率扩容，还便于开关过程中高频回路的优化设计，同时便于提高整机的功率密度，更好的发挥出SiC MOSFET的性能优势。除此之外，功率模块的散热能力相对于分立器件要高很多，因此非常有利于在电动汽车中电机驱动方面的应用。
电动汽车的电机驱动的电路结构一般有两种。一种是单级结构，电能从蓄电池中出来后经过三相逆变器供给电机，这种结构相对简易，但电机驱动电压受限于蓄电池电压；另一种是两级结构，电能从蓄电池中出来后先经过第一级电路DC/DC变换器，将电压升高后再作为第二级电路三相逆变器的输入电压，这种结构能够提高电机驱动电压、减小电机损耗、提高整机效率。
本章将以两级结构电机驱动中DC/DC变换器（Boost变换器）为应用平台，并以电动汽车中的电机散热环境（环境温度80℃）作为主要温度条件，进行SiC MOSFET功率模块的电路设计、热设计、和硅IGBT性能对比、并联芯片数量优化等方面的研究。
功率模块的构成
从模块基本框架上来说，功率模块主要由图5.1中几个部分构成，底部基板、陶瓷衬底（DBC）、器件、密封胶、导电端子（铜支架）、塑料外壳（没有在图中）。这些部件通过不同的方式紧密而牢固的相互组合在一起，构成功率模块。
按照功率模块的制作工艺步骤，器件、陶瓷衬底和底部基板先连接。陶瓷衬底的两面有薄金属层，上表面金属层通过焊料和器件、导电端子相连，同时上表面金属层还有模块内部电路导线的功能；下表面金属通过焊料和底层基板相连。
上述三者连接完成后，半导体器件的正表面通过引线键合、压接等方式和电路连接，图5.1中标出的是引线键合的方式。
引线键合之后，模块的电路部分已经完成了连接，再用密封胶覆盖陶瓷衬底正表面，目的是保护器件和绝缘。至此模块内部连接完成，外部用塑料外壳封装，导电端子用外壳过孔中出来作为模块的电气连接端口，导电端子包括了功率端子和信号端子。
功率模块各个构件的材料属性非常重要，本文没有深入研究过各种材料的特性，仅简要介绍几种主流材料以及文中设计功率模块所涉及的材料。
在这些部件中，最主要是器件、陶瓷衬底。器件是模块的核心，陶瓷衬底是器件散热、绝缘以及电回路的衬底基础。器件损耗产生的热，绝大部分通过陶瓷衬底经底部基板耗散出去，同时陶瓷衬底的热阻占了器件结到模块外壳热阻的大部分，陶瓷衬底以及上下表面焊料层也是功率模块可靠性问题的重点。所以陶瓷衬底的选择是功率模块设计中除功率器件本身之外最重要的部分。
对于电动汽车应用的功率模块，A1203和AIN是常见的衬底材料，前者是传统硅IGBT功率模块中常用的衬底材料，价格低廉；后者导热性能好，机械强度也较高，而且热膨胀系数（CTE）和SiC材料的CTE(3ppm/°Ｃ）更接近，所以导热性和可靠性会更高，但是价格较高。两者的性能对比如表5.1所示。
焊接材料主要用于器件与陶瓷衬底和底部基板与陶瓷衬底两处的连接，考虑到模块工作时的温度分布，本文在两处采用了两种焊锡材料。器件与陶瓷衬底之间温度相对较高，采用的焊锡材料也是熔点较高的锡铜焊料（~225°Ｃ），陶瓷衬底与底部基板之间温度190°Ｃ）。
半导体芯片正面引线键合所用的键合线有多种材料，常见的有铝（Al）、金（Au）、铜（Cu），本文中采用了ＡI键合线，由于商业芯片正表面基本为Al层，所以键合线和芯片之间键合程度高。此外，键合线的线径由材料和电流容量决定，根据经验公式
可以得到键合线线径，其中Imax为键合线上最大安全导通电流值，k为材料相关系数，d为线径（英制单位），参看表5.2。比如每个芯片最大导通60A，每个芯片可以连接三根键合线，那么每根键合线20A，最大长度超过0.1cm，那么每根铝线的线径都要大于12mil。
密封胶的选取要考虑半导体芯片的工作性能，本文采用的SiC MOSFET芯片最高耐压1200V，芯片厚度为0.2mm，所以密封胶的绝缘强度应该不小于6kV/mm，另外芯片最高工作结温150°Ｃ，所以密封胶的最高有效温度要大于150°Ｃ。最后选择一种硅酮密封胶，固化后有效温度范围-45－200°Ｃ，绝缘强度为19.7kV/mm。
导电端子和底部基板需要金属材料，铜的导热和导电性能都比较好，因此本文在两处都采用了铜。
文章所述之功率模块的基本结构如图5.2所示，主要构成为：芯片为SiC MOSFET或者碳化硅二极管，衬底陶瓷用0.62ｍｍ氮化铝（DBC工艺），焊料分别为锡铜焊料和锡铅焊料（厚度大约都为0.2mm），键合线为铝线（功率线径12～15mil,，信号线径5mil５），密封胶为硅酮电子密封胶。
表5.1 CMF20120D双脉冲测试的电路参数
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