碳化硅(SiC)在功率電子學中相比傳統的硅工藝技術具有眾多優勢。它結合了更高的電子遷移率、更寬的帶隙和更好的熱導率。得益于這些特性，SiC器件相比于同等評級的硅器件表現出更低的導通電阻(Rds(on))。除了更高的載流子遷移率外，這種較低的電阻還得到了SiC比硅更高的擊穿場強的輔助。這一特性使得器件結構中的漂移層更薄。

對于許多工業設計而言，SiC最重要的優勢之一是它能夠在高溫下良好運行而不會產生過度的載流子泄漏，這是其他技術難以輕易實現的。這一優勢主要歸功于SiC較低的本征載流子濃度。然而，為了最大限度地發揮SiC在需要高溫兼容性的設計中的潛力，了解器件在影響性能和效率的條件下的響應至關重要。

SemiQ的工程師們進行了廣泛的測試，展示了MOSFET在整個溫度范圍內的行為。這些測試提供了重要的數據點，指示如何最佳地利用SiC的熱和電特性。

這些測試一直延續到QSIC 1.2 kV SiC MOSFET模塊的制造過程中，所有部件都經過測試至1.4 kV以確保可靠性。為了保證每個模塊的穩定柵極閾值電壓和柵極氧化物質量，SemiQ在晶圓級別進行柵極老化測試。除了老化測試外，還包括各種應力測試，如柵極應力、高溫反偏(HTRB)漏極應力，以及結合高濕度、高電壓和高溫度應力測試(H3TRB)，以確保部件符合汽車和工業質量標準。

在公司對SiC器件進行特性化的工作中，SemiQ展示了在整個工作溫度范圍內，導通電阻的負溫度系數和正溫度系數如何影響需要最大可靠性的設計決策。公司在校準的烤箱中使用Keysight B1505A功率器件分析儀對其1.2 kV SiC MOSFET進行了實驗。為了確保環境溫度的影響清晰顯示，實驗僅在烤箱設定到目標溫度并經過足夠時間使器件加熱或冷卻到正確水平后進行。在實驗過程中，通過使用短脈沖寬度和低占空比來減輕自熱效應。

實驗表明，在室溫附近，SiC MOSFET的RDS(on)達到最小值。低于此溫度，電阻可能根據所施加的柵源電壓顯著增加。較低的電壓增加了溫度敏感性，增加了溫度系數轉向正的溫度。

低于室溫的負溫度系數對并聯運行的器件有影響。如果系統在低溫環境下啟動，可能會導致其中一個器件通過更多電流并因熱失控而過載。然而，將柵源電壓增加到約18 V-20 V可以降低系數并增加不平衡發展的風險。

盡管閾值電壓隨著溫度升高而降低，但由于帶隙電壓的降低，維持高柵源電壓對整體器件性能至關重要。即使在較高溫度下也是如此。實驗顯示，漏極電流隨溫度升高而減少，多個因素導致這一響應，包括載流子遷移率隨溫度變化以及帶隙減少，這影響了本征載流子濃度。這也導致閾值電壓隨溫度依賴性降低。

然而，當柵源電壓增加時，SiC MOSFET將繼續顯著改善RDS(on)。盡管10 V高于SiC MOSFET的典型閾值電壓，但在此水平下的導通損耗很可能導致器件熱失控。在20 V或更高電壓下運行可提供更好的整體性能。當器件關閉時，由于閾值電壓的溫度依賴性，SemiQ的建議是維持-5 V的柵極偏置。這種低電壓防止任何意外的寄生導通效應，并確保在高達175°C的溫度下正確行為，此時閾值電壓可能從典型的3 V降至僅1.8 V。

在高溫下，SiC MOSFET的正溫度系數會增加導通損耗。然而，考慮漏極電流的影響也很重要，它可能顯著影響損耗。通常，導通電阻隨漏極電流增加。從20 A增加到120 A時，電阻增加約50%。結合電阻隨溫度的增加，這可能導致SemiQ的1.2 kV SiC MOSFET在通過120 A電流時，在175°C下的電阻從低于40 mΩ增加到約140 mΩ。電路設計者可能選擇并聯運行器件，以通過每個器件的電流較少，從而盡可能保持導通電阻低。

圖2展示了在不同溫度(-55°C、25°C、125°C和175°C)下導通電阻與漏極電流的關系。在-55°C和25°C下，器件表現出較低的導通電阻和較小的變異性，相比于在125°C和175°C下觀察到的。通常，SiC MOSFET在較低溫度下顯示負溫度系數(NTC)，直到達到特定閾值，然后過渡到正溫度系數(PTC)。

體二極管對開關行為的影響是電路設計者可以充分利用SiC特性并使用更高開關頻率的另一個領域。體二極管的一個效應是反向恢復電流，這是由MOSFET體二極管中的少數載流子在器件重新導通時被清除引起的。這種反向恢復電流轉化為能量損耗，直接影響功率轉換器的效率。SiC器件中體二極管的正向電壓也比硅器件高。因此，避免在開關周期的死區時間外使用體二極管對于最小化損耗很重要。

然而，與傳統硅器件相比，基于SiC工藝構建的器件在關閉時表現出短的恢復時間。這種減少提供了增加開關頻率的機會。這反過來又允許設計者在支持電路中使用更小的外部無源組件，這有助于減少功率轉換器的體積和成本。

雙脈沖測試(DPT)提供了對詳細導通和關斷性能的寶貴見解。DPT在不同電流水平下打開和關閉晶體管。通過調整開關時間，可以在整個工作條件下觀察波形。使用兩個脈沖很重要，因為它允許評估反向恢復電流。其他效應包括由電流隨時間的高變化(di/dt)引起的振鈴，這可能與器件中的寄生電感和電容相互作用，形成諧振LC電路。

SemiQ對TO-263-7L封裝中的器件進行了測試，以研究溫度對此行為的影響。在這種測試配置中，只有被測器件受到加熱，并使用表面貼裝焊盤將其連接到PCB。使用校準的外部夾式加熱器來維持受控溫度。

測試表明，反向恢復時間隨溫度升高而增加。這導致在高溫下導通損耗呈現上升趨勢。然而，關斷損耗保持相對恒定。測試還顯示，導通波形比關斷波形有更高的振鈴。盡管關斷涉及電壓的快速變化，但寄生元件在此階段可能不會形成強大的諧振LC電路，導致相對較低的振鈴。結果是，專注于減少體二極管和振鈴效應的電路設計，特別是如果器件預計在溫度范圍的高端運行，在導通階段最為重要。

盡管器件制造商通常會設定安全裕度以確保MOSFET能承受其額定擊穿電壓，但測試顯示，該電壓隨溫度升高而增加。以1.2 kV SiC MOSFET為例，該器件在-50°C時顯示出至少1520 V的擊穿電壓，在150°C時上升到1570 V。盡管漏電流也隨溫度升高而增加，主要是由于載流子的熱產生，但擊穿電壓的正溫度系數在實踐中掩蓋了這一效應。

對1.2 kV SiC MOSFET行為的仔細研究提供了有關此類器件靜態和動態特性的寶貴信息。對于旨在利用SiC處理更高功率轉換器開關頻率的設計者來說，考慮溫度依賴性損耗至關重要。導通損耗在高溫下呈現上升趨勢，但關斷損耗保持相對恒定。通過關注這些差異，設計者可以補償這些效應，并獲得SiC技術所提供的全部效率改進，正如公司的QSIC 1.2 kV MOSFET模塊所展示的那樣。

憑借超過5400萬小時的HTRB和H3TRB應力測試支持，這些模塊實現了高達98%的功率轉換效率，有助于提高熱穩定性和增強可靠性。這些優勢使SiC模塊成為包括直流電源設備、逆變器、電機驅動、電動汽車充電站等在內的廣泛應用的理想選擇。