SiC MOS的关键特性和驱动设计要点

随着全球对高效能和可持续能源解决方案的需求不断增长，SiC MOS技术凭借其在高效率、高温性能及快速开关等方面的独特优势，成为推动绿色能源转型的关键力量。然而，作为一种新兴的功率半导体技术，它在驱动设计方面也面临着诸多不同于传统硅基器件的挑战。

3月28日，在国际集成电路展览会暨研讨会（IIC Shanghai 2025）期间举办的“2025国际绿色能源生态发展峰会”上，瑞能半导体碳化硅首席应用工程师李金晶发表了“SiC MOS的关键特性和驱动设计要点”主题演讲，为我们详细解读了这些技术挑战及其应对策略。

瑞能半导体简介

据介绍，瑞能半导体（其前身为飞利浦半导体及后续的恩智浦半导体）于2019年成功推出系列车规级半导体产品。至2024年，该公司已形成五大核心产品线，涵盖IGBT、硅MOS、晶闸管、硅高压二极管以及碳化硅二极管与碳化硅MOS等产品。2025年，其在北京投资建设了新的晶圆厂。

SiC MOS关键特性

李金晶表示，硅IGBT主要应用于低频领域，其电压等级普遍在1200V以下；而硅MOS的工作频率范围较宽，可从100Hz延伸至100kHz以上，但其高压性能通常局限在800V以下，更适用于低压应用。

针对碳化硅产品，其特点主要体现在三个方面：

首先，具有更高的阻断电压能力，可适用于更宽的电压范围。目前瑞能半导体的碳化硅系列产品已覆盖650V、750V、1200V至2200V等多个电压等级。

其次，具备快速的开关性能，碳化硅MOS可支持10kHz甚至100kHz以上的高频应用。

第三，得益于材料特性，碳化硅器件具有优异的高温性能，现有碳化硅模块和单管产品的结温可达200℃。

此外，碳化硅器件的高频特性还能带来系统设计的优势，通过降低电感和电容的体积，有效提升整个系统的能量密度。

瑞能碳化硅技术成熟度

目前，瑞能已量产并推向市场的碳化硅产品基于平面栅结构，现已发展至第二代，同时第三代产品也正在逐步进入市场。从第一代到第三代均是基于平面栅的结构，主要优化了Cell Pitch和二极管正向导通VSD的特性。具体来说，产品的R_DS(ON),SP已经从4.5 mΩ·cm²降低至3.1 mΩ·cm²，甚至2.2 mΩ·cm²。

此外，瑞能正在同步研发下一代采用沟槽栅结构的产品。“不过，由于当前沟槽栅技术在某些方面仍需突破，特别是在可靠性的研究上还需进一步验证，因此尚未获得推广。现阶段，瑞能的产品主要还是采用平面栅技术。”李金晶表示。

瑞能SiC MOS技术特点

据介绍，瑞能碳化硅主要有四大特点：

首先，瑞能致力于追求更高的R_DS(ON),SP能量密度，目前已经能够达到与国际主流供应商相当的水平。

其次，瑞能在栅氧的实用性上进行了优化，确保产品在+15V或+18V电压下均能稳定支持。这对于IGBT在充电桩和光伏领域的替换性和适用性提供了更大的便利性。

第三，瑞能产品的栅极电压范围广泛，适用于工规领域从-12V到+24V的应用需求；针对车规领域，栅极电压范围则为-10V到+24V，满足不同应用场景的需求。

最后，瑞能特别针对碳化硅R_DS(ON)在高温条件下的特性进行了优化，以确保产品在常温和高温环境下R_DS(ON)的变化比保持在一个较小范围内，从而保证了在高温条件下应用的优势。

李金晶从以上四个主要角度进一步介绍了该公司具体的技术细节：

第一，优化了沟道电阻和JFET等相关电阻，从而改善了R_DS(ON)特性和温度特性。

第二，瑞能现采用银烧结技术，相较于传统的焊锡工艺，这种技术能够将结的厚度从50μm减少到大约15μm，确保了更高的导热性能。

第三，在栅氧层的优化上取得了进展，这不仅增强了抗干扰能力，还因为振荡效果更佳，进一步提升了产品的稳定性。

第四，特别针对R_DS(ON)随温度变化的特性进行了优化。李金晶解释说，瑞能在25℃至175℃范围内的增长系数大约为1.5，相比之下，竞争对手的产品则通常在1.8到2之间。这意味着瑞能的产品在高温条件下的效率和实用性更为优越。此外，从125℃到175℃也表现出正温度系数，这保证了碳化硅MOS在并联应用领域中的性能表现。目前，瑞能的碳化硅产品已经在客户侧实现了三并联、四并联的应用。

SiC MOS驱动设计的关键参数

针对碳化硅的驱动设计，以下是一些与驱动相关的参数及考虑因素：

首先，在设计碳化硅驱动时，需要关注碳化硅VDS的最大DESAT电压。这是因为器件手册中通常会对这一参数设定限制。例如，对于1200V的碳化硅器件，其最大DESAT电压应不超过1200V；同理，650V和750V的器件也分别不应超过650V和750V。在实际应用中，必须确保关断尖峰或反向恢复尖峰不会超出这些阻断电压的限制。

其次，需要注意V_GS,max。由于碳化硅器件的开关速度更快，这可能导致在桥式电路导通时出现dv/dt米勒干扰，进而产生正向或负向电压。考虑到碳化硅栅氧层的可靠性相对IGBT较差，因此需要保证实际使用的栅极电压不超过其规定的最大电压范围。

最后，要仔细检查V_GS(th)阈值电压，尤其是在图腾柱等结构中，由于存在米勒电容，伴随dv/dt变化会产生米勒干扰。如果V_th或设计的buffer不够大，可能会导致上下桥臂发生误导通的问题。

SiC MOS的驱动设计要点

针对驱动设计，需要从以下几个角度进行考虑：

首先，在选择一款驱动时，必须考虑其电流能力。由于碳化硅器件的开关速度非常快，如果驱动电流不足，会导致内部MOS从理想的开关饱和状态进入恒流状态。这种情况下，即使外部电阻只有2.4Ω，与5.1Ω的损耗相比也没有太大差异。这是因为当驱动器无法提供足够的推电流和拉电流时，剩余的电压降就会被驱动器内部的DrMOS消耗掉，使其进入恒流区工作。因此，实际上使用2.4V与5.1V的外部电阻在性能表现上没有明显区别。

“例如，TI的驱动芯片时，即便是同一系列中不同型号（如2A、5A和1A、9A）之间，它们内部NMOS以及关断使用的MOS的阻抗也存在显著差异。通常情况下，为了实现轨到轨驱动，在正半周时会采用一个PMOS和一个NMOS并联的方式。而在米勒平台之前，我们主要关注的是NMOS的驱动特性。”李金晶举例说。

其次，则是驱动电压的选择。鉴于每家驱动器的设计及碳化硅MOS内部集成参数特性的差异，在选择驱动电压时需从应用角度进行考量。

瑞能推荐工程师在使用其产品时采用-4V至+18V的驱动电压范围。“为何选择-4V作为负压值？这是因为相较于部分友商产品（建议使用-8V或-10V），瑞能的工业类产品能够支持低至-12V的负压，从而在负压方面提供了很大的buffer。然而，由于瑞能的碳化硅设计工艺采用的是平面栅结构，其V_th相较于沟槽栅较低，平面栅的V_th通常介于2.0至2.6V之间，而沟槽栅则可达到3.5至4.5V之间。因此，沟槽栅V_th的buffer较大，而平面栅的buffer较小。基于此，我们建议用户选用-3V或-4V的负压，以利用更大的负压裕量，进而减小关断损耗。”李金晶说。

对于正压而言，瑞能的产品既支持+15V也支持+18V的驱动电压，但是推荐使用+18V作为驱动电压。“瑞能在产品选型时标定的R_DS(on)参数是在+15V条件下测得的。若采用+18V驱动电压，则可以额外获得约10%导通损耗减少的收益。”李金晶表示，“然而，在此还需提及为何不建议将正向电压设置得更高。虽然更高的正压确实可以减小导通损耗且对关断损耗无影响，但其缺点亦不可忽视。具体而言，使用+18V而非+15V驱动电压时，由于碳化硅材料本身具有较高的能量密度，其短路能力相对较弱。此外，驱动功率也会相应增大。”

类似地，负压的选择也是如此。若负压值设定过高，则可能超出V_GS的负压范围，进而影响碳化硅器件的使用寿命。此外，较大的负压还会导致VSD反向流过的问题。在图腾柱结构中，通常使用体二极管进行死区续流。当负压从-3V或-4V进一步增加时，VSD的压降也会增大，从而导致死区损耗增加。

第三，在进行导通电阻调整的过程中，需注意以下四点：

1) 关于导通电阻的选择，必须关注反向恢复尖峰。尽管碳化硅体二极管的反向特性通常较好，使得人们有时会忽略其反向恢复损耗，但实际上，碳化硅体二极管在小电流条件下也可能产生较大的反向恢复尖峰。尤其是在高温环境下，反向恢复尖峰可能超过VDS的1200V。因此，建议在系统电流处于最大值的10%-20%的状态下检查最大电压。此外，在最大系统电流条件下也应观察反向恢复尖峰的情况。

2) 在调整驱动电阻时，还需关注对桥的影响，特别是在图腾柱结构中。如果使用的是反激拓扑，由于其对桥是一个电感，该电感会限制电流的变化，因此问题不大。然而，在图腾柱结构中，上下桥均为开关管，此时需要特别注意导通对对桥的影响。因为导通时产生的dv/dt会对对桥的V_GS造成正向过冲，这可能导致上下桥出现误导通或误短路的风险。因此，在这种情况下，必须考虑对桥VGS的干扰问题。此外，还需要在系统最大电压和最大电流条件下，或者至少在20%的系统电流条件下，检查是否存在足够的buffer，并确保接近但不超过V_th阈值。特别是在高温环境下，这一点尤为重要。常温下，V_th可能处于典型值2.5左右，但在高温条件下，V_th会有所下降，这是平面栅和沟槽栅结构的普遍特性。

3)、4)，另外两点涉及驱动电阻不能调得过快。尽管在系统未加载电压和电流时波形看起来很好，但当系统实际加载功率后，可能会引入一定的串扰，导致驱动波形出现明显抖动。

第四，类似地，关断电阻调整也需要注意以下四点：

1) 在关断之后会产生一个关断尖峰，需要考虑最大的系统电压和最大的系统电流。然而，从实际应用的角度来看，最大的系统电流可能出现在过流保护（OCP）点。由于系统设计中的电流采样误差、器件误差、电流传感器误差以及采样电阻误差，最大电流点可能需要增加buffer。在这种情况下，就需要检查关断尖峰是否超过阻断的最大电压。通常情况下，设计时都会留有一定的裕量。

2) 需考虑对对桥的影响。在关断过程中，对桥存在负电压。瑞能的产品一般保证-12V的耐压水平，因此使用-5V、-6V或-8V通常没有问题。但是，对于一些厂商提供的产品，其负压可能是-8V或-10V。如果负压超出规格，虽然短期内不会出现明显问题，但会影响长期可靠性，无法保证整个生命周期内的鲁棒性。

3) 需要结合整个系统的EMI特性来调整关断电阻，不能将其调得过于极限。否则当系统加载功率和电压后，波形或系统可能会出现问题。

4) 当遇到米勒干扰时，尤其是为了追求效率而将米勒电容调节到极限值的情况下，可以通过驱动芯片解决这个问题。

为什么会存在米勒效应？

李金晶解释说，首先，当对桥导通时，本桥会产生一个反向的dv/dt。尽管本桥被拉至-8V、-4V或-3V，但由于碳化硅的开关速度非常快，导致dv/dt很大。这个大的dv/dt乘以米勒电容会产生一个米勒电流，该电流流过关断电阻时会产生压降。因此，即使关断驱动端为-3V或-4V，米勒端可能已经上升到+2V或+1V，使得裕量变得很小。在追求效率且无法通过其他方式解决碳化硅问题时，只能通过驱动芯片来实现米勒设计。许多驱动芯片包含米勒钳位功能，但主流驱动芯片的米勒钳位电压通常约为2V，在高温条件下对于碳化硅阈值电压来说存在一定风险。因此，需要检查驱动芯片是否提供更低的米勒钳位电压，如1.5V或1.8V。米勒钳位的主要作用是在检测到驱动栅极存在米勒干扰时，通过一个较低阻抗路径直接将电压拉低。由于米勒钳位的MOS管具有更强的通流能力，它可以迅速将电压拉回到电源轨（例如-3V或-4V），从而避免因驱动电阻带来的压降问题。

其次，在实际使用环境中，我们还需考虑短路情况，特别是像电机这种应用场景。由于功能安全的要求，必须确保不会对人体造成伤害，因此需要具备短路保护功能。对于车规级应用，如汽车电驱系统，同样需要这类短路保护。

短路保护——DESAT（去饱和）

短路可以分为一类、二类和三类不同的特性。

DESAT作为一种主流的短路保护设计方法，为了更好地对其进行说明，李金晶列举了一些友商的典型驱动设计。

现有情况下，例如TI的驱动设计或英飞凌的驱动设计，为了降低成本，通常不选择SPI接口——SPI接口的驱动芯片允许调整DESAT电流源（如从500μA到2mA）。然而，如果选择低成本的驱动芯片，其DESAT电流是固定的。鉴于碳化硅器件本身的短路能力较弱，并且DESAT电路还需为米勒电容充电，如果恒流源电流较小，则需选择较小的米勒电容以保证DESAT动作时间。在这种情况下，需考虑以下几点：

首先，当碳化硅MOS进入饱和区时，开关状态下的导通时间必须足够长，以避免在未完全导通之前发生误动作。其次，即使在静态条件下调整了BLANK电容（如22pF或30pF），一旦上高压后，高压噪声可能会导致DESAT误动作。例如，22pF的电容可能在高压下出现误动作。

为了应对因恒流源不可调而导致的DESAT误动作问题，可以通过外加一个电流源来解决。有两种常见的方式：第一种方式是通过OUTH增加电流源。这种方式的优点在于OUTH与驱动芯片的DESAT米勒电源保持一致，只有当OUTH开启时，电流源才会向米勒电容充电。然而，其缺点是由于碳化硅MOS在导通时会抽取米勒电容的电，可能导致OUTH瞬间压降。

第二种方式是通过VCC直接增加电流源。这种方式的优点在于VCC本身具有储能电容，提供较强的电流能力。然而，其缺点在于VCC上的BLANK电容在一上电时就可能充满，dv/dt能否将BLANK电容抽到0V或特定电压值，这需要实际测试验证，否则会导致BLANK的动作时间缩短。

其他短路保护方式

除了DESAT方式外，还有其他几种短路保护方式。例如，两级关断逐步降低输出电压，减少瞬态电流冲击；过流保护检测电流超过设定阈值时自动切断电源；TVS钳位通过TVS接地端主动钳位，在现有的一些汽车应用中非常实用。这些方法可以根据具体的应用需求进行选择和组合，以实现最佳的短路保护效果。

瑞能SiC MOS产品Roadmap——650-1200V SiC MOSFET产品系列

据介绍，瑞能从650V到1200V的SiC MOS产品系列均符合工业规格，涵盖了SOT429（TO247-3L）、SOT429（TO247-7L）、TO263（D2PAK-7L）、TSPAK（TSC）、TOLL和TOLT（TSC）等多种封装形式，能够与主流厂商如英飞凌或ST的产品进行对标。

1700-2000V SiC MOSFET产品系列

针对高压段部分，瑞能正处于研发阶段，尤其是针对高压光伏储能应用，提供了1700V和2200V的产品供选择。目前，该公司的2200V产品已经推出了40mΩ的版本，而1700V产品则包括30mΩ和40mΩ版本，尽管尚未量产，但预计今年内可以推出市场。

车规SiC MOSFET产品系列

在车规级产品方面，相较于国际友商，瑞能并未开发650V的车规级产品，而是直接推出了750V的产品。随着现代汽车电池电压的提升，例如吉利汽车的最大电压可达450至460V，额定电压约为400V，在这种情况下，使用650V的碳化硅MOSFET将导致安全裕量过小。因此，该公司主要推广750V的产品，它可以替代650V的产品，并且全系列产品均已覆盖。1200V和1700V的产品主要用于DC-DC转换器、车载充电器（OBC）中的反激电路或电驱系统的功能安全PSU。考虑到这些应用的工作电压范围较广（从100V至1000V），变压器匝数比通常为10:1或更高，这就要求MOS在关断时能够承受较高的反向抑制电压及尖峰电压，因此需要达到1700V才能满足这些应用场景的需求。

SiC功率模块产品系列

此外，除了单管产品外，瑞能还提供一系列模块产品。目前该公司有B1模块、B2模块、半桥模块、四包模块以及升压模块等。相比单管产品，模块的优势在于更高的生产线集成度和更佳的工业自动化应用效果，但成本相对较高。单管方案则对并联杂散电感和电流均衡性提出了更高的要求。无论是单管方案还是模块方案，瑞能现在都能够提供支持。