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[Infineon] CoolSiC™ MOSFET G2 導通特性解析
2025-08-11

CoolSiC™ MOSFET G2 導通特性解析

來源: 英飛凌工業半導體

上一篇我們介紹了英飛凌 CoolSiC™ MOSFET G2 的產品特性（參考文章：CoolSiC™ MOSFET G2 效能綜述）。那麼在實際應用中，G2 如何進行正確的選型呢？接下來兩篇文章會和大家仔細探討這個問題。今天的文章將會主要聚集在 G2 的導通特性上。

在 MOSFET 設計選型過程中，工程師往往會以 MOSFET 常溫下漏源極導通電阻 RDS(on) 作為第一評估要素。RDS(on) 往往會反映在產品型號中，例如 IMZA120R040M1H 中的 040，代表的就是結溫 25℃ 條件下，Vgs 在 18V 時裝置的 RDS(on)約為 40mΩ。

從上面的參數表也可以看出，RDS(on) 是一個正溫度係數的參數，對於 IMZA120R040M1H 來說，Tvj = 175℃ 下的 RDS(on)，幾乎等於常溫下的兩倍。

再來看 G2 34mΩIMZC120R034M2H 的參數表，Tvj = 175℃ 下的 RDS(on)，約等於常溫下的 2.3 倍。

可以看出 G2 RDS(on) 的溫度係數是要大於 Gen1 的。儘管在常溫下，IMZC120R034M2H RDS(on) = 34mΩ，低於 IMZA120R040M1H 的 39mΩ，但在 175℃ 時，IMZC120R034M2H RDS(on) 達到了 80mΩ，略高於 30120R034M2H RDS(on)。

SiC MOSFET 常工作在高溫下，高溫下較高的 RDS(on) 會導致更高的導通損耗。那為什麼 CoolSiC™ G2 要設計這麼明顯的 RDS(on) 溫度係數呢？這不是與功率元件低損耗、高功率的發展方向背道而馳？

要回答這個問題，我們要先弄清楚 SiC MOSFET RDS(ON) 溫度特性背後的機制。

SiC MOSFET 總導通電阻 RDS(on)主要有三個部分組成：通道電阻 Rchannel，JFET 電阻 RJFET 和漂移區電阻 Rdrift。

在這三部分電阻中，通道電阻 Rchannel 具有負溫度係數，即隨溫度上升，電阻反而下降。而 RJFET 和 Rdrift 則具有正溫度係數，即電阻隨溫度上升而上升。那麼總導通電阻 RDS(on) 的溫度係數就由這三個部分的比例決定。

如果通道電阻 Rchannel 佔比高，那麼它的負溫度係數會很大程度上抵消掉 RJFET 和 Rdrift 的正溫度係數，使得總 RDS(on) 的溫度曲線比較平坦，對外表現為高溫下 RDS(on) 相比常溫下數值變化很小。反之，Rchannel 佔比低的話，總 RDS(on) 的溫度曲線就會很陡峭，高溫下 RDS(on) 增加明顯。

CoolSiC™ MOSFET 是溝槽柵極元件，從 Gen1 開始，通道電阻 Rchannel 佔比就很低，總 RDS(on) 的溫度係數就由正溫度係數的 JFET 電阻 + 漂移區電阻決定。而平面柵元件因為通道電阻佔比高，其負溫度係數補償了 JFET 電阻 + 漂移區電阻的正溫度係數，所以總 RDS(on) 的溫度係數比溝槽柵的 CoolSiC™ 更低。

而 CoolSiC™ G2 溫度特性比 G2 更明顯。這都是由於 CoolSiC™ 產品一直在不停的優化通道質量，使得 Rchannel 在總電阻鏈路中的佔比越來越低所致。

為什麼英飛凌在執著的降低通道電阻？

做這件事又有什麼好處？

SiC 和 Si 材料有很大不同，在形成通道時，會產生許多氧化層界面陷阱和界面態密度。這些界面態密度會捕獲電子，阻礙電子流動，增加通道電阻。高溫時，被捕獲的電子獲得能量又被釋放，所以溝道電阻在高溫下反而降低，呈現負溫度係數。

SiC MOSFET 中的通道柵極氧化層界面的品質是 SiC 發展的巨大挑戰。不過有挑戰就有機遇，機會就是 SiC 是各向異性晶體，在不同晶面上形成的溝道質量是不一樣的，垂直晶面的界面態密度和氧化層陷阱要低於水平晶面。英飛凌選擇了一個特殊的 [1120] 晶面，它與垂直晶面有一個 4℃ 的夾角，這個晶面能保持最低的界面態密度和氧化層陷阱，從而保證最高的溝道電子遷移率，以及最低的溝道電阻。同時，通道電阻的負溫度係數也不明顯，可以理解為在常溫下被捕獲的電子少，高溫下被釋放的電子也變少了。

透過採用降低柵極氧化層界面的界面態密度和氧化層陷阱，可以提高通道電子遷移率，允許使用更厚的柵極氧化層，柵極氧化層的可靠性隨氧化層厚度的增加而呈指數級提高。從下圖可以看到，英飛凌溝槽柵 CoolSiC™ 所使用的柵極氧化層厚度，遠高於平面柵，從而確保裝置的長期可靠性與穩定性。

對於 SiC MOSFET 的設計發展而言，整體趨勢都是在想辦法改進通道質量，降低通道電阻, 未來的 RDS(on) 溫度係數勢必會更加明顯。

總結

綜上所述，對 CoolSiC™ G2 進行選型時，尤其是對原有項目做替代時，不能簡單的按照 RDS(on) 的數值進行一比一替換，開關損耗也是重要的考量因素，要實際考慮應用場景、電路拓樸、開關頻率、散熱環境等綜合條件。下一篇文章我們將會分析在軟開關和硬開關兩種場景下，分別應該如何選型。

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