01、SiC MOSFET的體二極管及其關鍵特性

無論是平面柵還是溝槽柵，SiC MOSFET都采用垂直導電結構，其縱向（從漏極到源極）的層狀結構是通用的，如下圖所示：

圖1. 溝槽型--英飛凌非對稱溝柵CoolSiC? MOSFET

圖2. 平面柵型MOSFET

N+襯底(Substrate)：高摻雜，作為漏極。

N-外延層(Drift Layer)：低摻雜，用于承受高阻斷電壓。

P-body區：P型阱區，通過離子注入形成。其上方是源極的N+區。

柵極(Gate)：在SiO2絕緣層（柵氧）之上，用于控制溝道導通。

源極(Source)：與P-body區和N+源區相連。

體二極管（Body Diode）也被稱為寄生二極管或內置二極管。它是由MOSFET本身結構“天然”形成的一個PN結二極管。觀察結構圖，P-body區（P型）和 N- 外延層（N型）直接接觸，自然而然地構成了一個PN結。

SiC的體二極管特性：

1.反向恢復電荷小

由于SiC具有比Si更寬的禁帶寬度，使得SiC具有極低的本征載流子濃度和極高的臨界擊穿電場。高臨界擊穿電場允許SiC MOSFET的漂移區做得更薄、摻雜更高。低本征載流子濃度和高摻雜薄漂移區共同作用，使得PN結正向導通時注入和儲存的少數載流子總量非常少。同時，SiC的載流子壽命也更短，使得這些本就不多的儲存電荷復合速度極快。因此，當SiC MOSFET的體二極管從正向偏置切換到反向偏置時，需要被移除的電荷（Qrr）極少，且移除/復合的速度極快。此外，空間電荷區產生電容Coss。關斷過程中Coss被充電，達到Vdc。PN二極管的這個關斷過程通常稱為反向恢復，由雙極電流和電容電流驅動。因此，SiC反向恢復電流（Irr）相較于Si器件而言小很多，反向恢復時間短，拖尾電流小。但是SiC體二極管仍舊存在一定的反向恢復損耗，可以從電路角度進一步優化。

2.導通壓降較高

同樣因為SiC有更寬的禁帶寬度，導致其PN結的開啟電壓較高，理論上，SiC PN結的開啟電壓就在2.5V - 3V左右，遠高于硅二極管約0.7V的開啟電壓。

此外，從平面柵型SiC MOSFET的結構中可以看到，體二極管的電流路徑是：源極 → P-body → N- 漂移區 → N+ 襯底→漏極。其中，P-body區為了與其他區域形成良好的PN結，其摻雜濃度和深度經過優化，但通常電阻較高。電流流經這個高阻區會產生比較大的壓降。另外，由于內部少數載流子壽命非常短，當體二極管導通時，注入到漂移區的少數載流子（空穴）還來不及進行充分的電導調制（Conductivity Modulation）來降低漂移區的電阻，就被迅速復合掉了。因此，漂移區無法像在IGBT或硅PiN二極管中那樣電阻大幅下降，仍然保持較高的電阻率。傳統SiC體二極管的高壓降是“高開啟電壓”和“高串聯電阻”共同作用的結果。這導致其導通損耗很大。

02、死區時間的選擇

死區時間是為了防止逆變橋或半橋電路中上下兩個開關管同時導通，造成“直通”（Shoot-through）而短路燒毀器件。在死區時間內，負載電流會通過互補開關管的體二極管進行續流。死區時間的選擇主要從以下兩個方面影響SiC MOSFET的損耗表現：

1、體二極管在死區時間內，在其漂移區建立雙極等離子體。當死區時間設置為極短時間時，漂移區的等離子體在體二極管關斷時可能還未完全建立起來。因此，必須從漂移區消除的電荷量比死區時間很長時要少，即反向恢復電荷較少。

2、如果死區時間較長，體二極管持續導通續流，由于Vf較高，會導致較大導通損耗。

應用電路中的典型死區時間在150ns至1μs之間。圖3顯示了死區時間較短的影響。從圖中可以看出，與死區時間為1μs相比，死區時間為300ns時，反向恢復電荷顯著減少。漂移區的等離子體濃度在死區時間為500ns至1μs時達到飽和。當td≥1μs，可以看出反向恢復特性無差異。縮短死區時間，是提升SiC MOSFET性能的有效方式。

圖3：在T=150°C條件下，不同死區時間下的快速體二極管關斷。

英飛凌CoolSiC? MOSFET G2通過非對稱溝槽柵與深P阱設計、優化寄生電容等手段，其增強型體二極管的反向恢復特性得到改善，允許系統采用更短的死區時間（可短至 150ns ），但實際應用中仍需仔細評估以避免橋臂直通風險。

首先，死區時間必須大于開關管（如低邊LS MOSFET）的關斷延遲與續流管（如高邊HS MOSFET）的開通延遲之間的差值，并考慮一定裕量。其次，死區時間的設定還需要考慮驅動信號的傳輸延時。因此，死區時間的選擇可以參考如下公式：

td_off_max為最大關斷時間，td_on_min為最小開通時間，tpdd_max為驅動信號的最大傳輸延遲時間，tpdd_min為驅動信號的最小傳輸延時時間，系數1.2為裕量。

實際使用時，可根據實際的工況提前用示波器進行測量：

1.初始設置與安全基準

• 設定保守值：參考數據手冊和上述公式，從一個較長的死區時間開始。

• 連接示波器：建議使用四個通道，分別測量同一橋臂上管和下管的柵源極電壓（Vgs），下管的漏源極電壓（Vds）以及使用電流探頭觀察漏極電流（Id）。

• 捕獲基準波形：在安全條件下，捕獲一個完整的開關周期波形。此時波形應干凈，無異常尖峰。

2.逐步優化與臨界點判斷

• 逐步減小死區時間：以10-20ns為步長，逐步減小死區時間。每調整一次，都需用示波器仔細觀察開關瞬間的波形。

• 觀察關鍵“危險信號”：

• Vgs交疊：放大觀察上下管Vgs的上升沿和下降沿。絕對禁止出現兩者同時高于器件導通閾值電壓的情況。

• Vds/Id異常：關注開關瞬間的Vds和Id波形。如果出現異常的電壓凹陷或巨大的電流尖峰，是發生直通的明確證據。

• 找到臨界點：持續減小死區時間，直到示波器上剛剛開始出現上述危險的跡象（如Vgs波形幾乎貼在一起，Vds出現微小毛刺）。這個點就是安全的極限。

圖4給出了死區的臨界點仿真示意圖，其中虛線所示的波形為安全波形，實線所示的波形由于死區時間過短發生了直通的問題。直通發生時，SiC瞬態電流上升明顯，開關損耗也有大幅度的增加，應該避免這種情況的發生。

圖4：死區設置臨界點仿真示意圖

3.確定最優值并全工況驗證

• 增加設計余量：在找到的臨界死區時間值上，增加20%-50%的余量。這個余量用于應對溫度變化、器件離散性、柵極驅動波動等因素，確保系統長期可靠運行。

• 全工況驗證：將設置好的死區時間在不同條件下進行測試，包括輕重負載、冷機熱機狀態等。確保在所有極端情況下，系統均能穩定工作，無直通風險。