同步整流模式下SiC MOSFET浪涌能力

今天这篇，2026年5月新鲜出炉的文章，来自西南交通大学，主要内容是同步整流模式下SiC MOSFET浪涌能力，

先介绍背景，

商用SiC MOSFET器件常以体二极管作为第三象限工作条件下的续流通路，然而SiC材料特性决定，器件体二极管导通压降较大，导通损耗明显。

且，体二极管存在两种工作模式：同步整流（Synchronous Rectification）、异步整流（Asynchronous Rectification），

何为同步整流？

答：第三象限条件下，通过正栅偏打开沟道，使得反向电流主要流经沟道，利用沟道电阻小、导通压降低的特点，显著降低导通损耗，

而异步整流，则是不主动打开沟道，电流主要通过体二极管，缺点是体二极管压降较大、损耗较高。

同步整流固然可以降低损耗，但对此模式下SiC MOSFET浪涌能力的研究尚不充分，器件可靠性存疑。

基于此，作者对不同导通模式下，SiC MOSFET第三象限特性及浪涌耐受能力进行研究。

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如上，平面栅、沟槽栅SiC MOSFET结构示意图，器件内部存在两条独立的源漏电流通路，

1、单极导电通路：依次经过沟道区、JFET区、漂移区和衬底，

2、双极导电通路：依次经过体二极管、漂移区和衬底，

具体看图中标注的两种颜色箭头，Bipolar和Unipolar，

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等效电路如上，

其实很简单，底下是漂移区电阻+衬底电阻串联，上方是并联的两路，一路是体二极管，一路是沟道+JFET区，

因此，SiC MOSFET共存在三类导通模式：单极导通、双极导通、混合导通。

简单介绍这三种模式，

1、单极导通：

VGS>0，MOS沟道开启，器件工作于单极模式，

沟道电阻与过驱动电压成反比，因此随着VGS的增大，器件导通电阻逐渐减小，

这种模式下只有电子参与导电，故称为单极导通。

单极导通模式下，随着温度升高，体迁移率退化，器件电阻显著增大。

2、双极导通：

VGS＜0，且VSD足够高，使体二极管导通，器件工作于双极模式，

对SiC MOSFET而言，VSD大约要到4V，才能使体二极管开启，

导通后，漂移区会发生电导调制效应，即P阱向N漂移区注入空穴，使漂移区电阻大幅降低，

电子空穴均参与导电，故称为双极导通。

这种导通模式的温度变化规律恰好相反，高温下空穴寿命提升，电导调制增强，电流能力反而比室温时更强。

3、混合导通：

VGS>0，且VSD足够高，沟道开启且体二极管导通，

此时MOS沟道和体二极管两条路径同时导电，

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导通压降表达式如上，

由于存在电导调制效应，Rdrift,Bi明显小于单极导通模式下的漂移区电阻，因此混合导通模式下的VSD-Hy小于单极导通模式下的VSD-Uni，

且由于存在沟道分流，体二极管电流大小亦低于双极导通模式下的相应值，

因此当器件工作在第三象限工况下，若施加正向栅压使其进入混合导通模式，可显著降低导通损耗。

当然实际应用中，对部分商用SiC MOSFET，即使施加-5V栅源电压，沟道仍然无法完全关断，

换言之，VGS>0且VSD足够高条件下，器件也有可能工作在混合导通模式。

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25℃、175℃下，平面栅、沟槽栅SiC MOSFET第三象限IV曲线如上，

先看平面栅，

25℃、175℃下，JSD始终随VGS的增大而增大，且均出现拐点（图中标注的黑圈），

这个拐点意味着体二极管开始导通，器件从单极导通模式切换到混合导通模式，压降增大速率开始减小，曲线呈现向左上方凸出的形状，

再看沟槽栅，

25℃下，JSD随VGS的增大而增大，

175℃下，当JSD较大时，15V栅压电流反而小于-5V栅压电流，

何以如此？

作者的解释是，沟槽栅MOSFET的JFET电阻太低，导致体二极管两端压降不够大，难以导通，器件很难进入混合导通模式，

停留在单极导通的结果，是高温下器件电阻显著增大，电流密度降低，

而-5V栅压下，器件工作在双极模式，高温使得电导调制效应增强，电流密度增大，

结果是，175℃下，当JSD较大时，15V栅压电流反而小于-5V栅压电流。

再通过仿真验证猜测，

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如上，VSD=2V时，无论平面、沟槽，电流均通过沟道进入漂移区，

P-base区都是蓝色，电流密度极低，

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VSD=5V时，区别很明显，

平面MOSFET体二极管开启，电流同时从沟道、体二极管进入漂移区，器件处于混合导通模式，

沟槽MOSFET仍处于单极导通模式，电流都从沟道走，佐证上述推论。

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平面MOS在+15V、-5V栅压下的浪涌波形与IV轨迹如上，

VGS=+15V、-5V下，最大浪涌电流密度分别为3105A/cm2、2807A/cm2，

-5V栅压下，IV轨迹呈现逆时针环状，

即，相同VSD下，前半周期（区间A）的电流密度大于后半周期（区间B）的电流密度，此时器件工作于双极导通模式，

失效末期电流密度回落，导电通路恢复为体二极管单通路。

+15V栅压下，IV轨迹出现交叉现象，

整个过程大致如下：

1、低JSD阶段（区间A）电流仅流经沟道，器件工作于单极模式，

2、随着JSD的增大，体二极管开启，进入混合导通模式（区间 B、C），此时VSD与导通损耗明显降低，

3、测试末期（区间D）器件结温高于初始阶段，迁移率退化导致VSD有所增大。

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反观沟槽MOS在+15V、-5V栅压下的浪涌波形与IV轨迹，区别很明显，

VGS=+15V、-5V下，最大浪涌电流密度分别为1468A/cm2、2514A/cm2，

尤其是正栅压下，极限浪涌电流远小于平面MOS，

且正栅压下，沟槽MOS的IV轨迹未出现交叉现象，表明导通模式未发生切换，

换言之，器件始终处于单极导通模式，

这就使其无从享受混合导通模式带来的器件压降显著降低之优势，浪涌耐受能力因而不佳。

小结：

1、实际续流工况中，同步整流（VGS为正，体二极管导通）相比异步整流（VGS为负，体二极管导通）可有效降低续流损耗，

2、大电流工况下平面型MOSFET 体二极管更易开启，与正栅压下开启的MOS沟道协同工作，器件处于混合导通模式，有效降低压降，提升浪涌耐受能力，

相反，沟槽型MOSFET的JFET区电阻更低，体二极管两端压降不够大，器件难以进入混合导通模式，大电流工况下浪涌耐受能力较差。

参考《Third-quadrant Characteristic and Surge Current Behavior of SiC MOSFET at Different Conduction Modes》

信息来源：晏小北

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