SiC MOSFET与Si器件的动静态特性对比

  硅基MOSFET和IGBT等高频功率半导体器件由于其应用技术成熟，目前已广泛用于各种领域。然而，随着功率半导体器件使用场合日益丰富，对性能要求的不断提升（高效率、高功率密度）以及工作环境更加恶劣（低温或者高温），硅器件的使用受到其材料特性的限制，难以满足需求。为了突破传统硅基功率器件的设计瓶颈，国内外学者寻找到以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料去替代传统的硅材料，这类新材料具有宽禁带、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，特别适合制作大功率、高压、高频、高温、抗辐照电子器件。
 
  SiC MOSFET作为一种具有优异特性的功率器件，应用在并网逆变器、双有源桥双向直流变换器、电动汽车充电器、三相电机驱动器、固态断路器等领域可以极大地提高工作频率，减小无源元件体积，同时减小损耗和散热器体积，提高变换器的功率密度。
 
  1. SiC MOSFET器件与Si基场控器件的特性对比
  传统的Si基场控器件分为两类：一类是Si MOSFET，其额定电压通常在900V等级以下的，另一类为Si IGBT，电压定额在1200V及以上。为了更好地体现SiC与Si器件之间的特性区别，本文筛选出了功率等级相近的三组商业化器件，利用其数据手册中提供的数据进行对比，第1组（编号1-4）为1200V等级的SiC MOSFET与传统的Si IGBT，电流等级在25A（壳温Tc=100℃时）左右，第2组（编号5-6）与第3组（编号7-8）分别为900V以及650V电压等级的SiC MOSFET与传统的Si MOSFET，具体型号参数见表1。通过对比两代器件的静态与动态等特性，总结SiC器件在实际应用中需要重点关注的特性。

 
  1.1 静态特性对比
  1.1.1 导通电阻
  图1给出了1200V与900V电压等级（650V曲线与900V类似，不再给出）下SiC与Si器件的导通电阻特性对比，图中曲线的编号对应表1中器件的编号。从图中可以看出，1200V等级的SiC器件相对于IGBT来说在导通电阻方面并不占优势（图中所给出的IGBT导通电阻是由数据手册中的导通压降与测试电流相除得出），但是相对于Si CoolMOS来说，导通特性改善很大，尤其在结温较高时。此外，Si CoolMOS的导通电阻与Si IGBT的导通压降始终为正温度系数，而SiC MOSFET的导通电阻与温度的关系更为复杂，从负温度开始先是负相关然后呈正相关，这就导致在对SiC MOSFET建模时，不能沿用以往Si器件的经验模型，需要进行修正，在应用SiC MOSFET时也需要注意到其与Si基场控器件不一样的温度特性。  
  1.1.2 开启阈值电压
  图2分别给出了1200V等级SiC MOSFET与Si IGBT以及650V/900V等级的SiC MOSFET与Si CoolMOS的开启阈值电压对比，其中，CoolMOS的数据手册只给出其在25℃时的数据（图2b中用×表示）。显然，SiC的阈值电压Vth远小于Si IGBT，也小于同电压等级的CoolMOS，部分类型的SiC MOSFET，如MicroSemi公司产品（图2a中曲线2），启动阈值电压已经小于1V。此外，SiC器件的阈值电压具有负温度系数的特性，为了充分发挥SiC器件的耐高温特性，在应用时设计SiC器件工作在结温较高的状态，此时，启动阈值电压将会更低。因此，在用SiC器件替代Si器件时，需要其驱动电路具有较强的抗干扰能力，采取特别的措施防止功率管误开通。  
  1.1.3 栅-源极耐压与栅极内阻
  表2列出了不同电压等级的SiC与Si基场控器件的栅源GS（gate-source）极耐压范围以及栅极内阻。从表中可以看出SiC器件的耐负压能力偏弱，远小于Si器件。其次，其栅极内阻远大于CoolMOS，接近Si IGBT。因此，当驱动回路中存在干扰电流时，SiC器件GS端感应出的干扰电压相比于Si器件更有可能造成器件的破坏或者误开通，这也是SiC器件驱动电路设计中应当特别注意的问题。
 
  1.1.4 转移特性
  图3给出了1200V与650V电压等级的部分SiC器件与Si器件的转移特性的对比结果。由图可见，SiC器件的转移特性与Si器件有较大的区别，SiC MOSFET的转移特性受结温的影响较大，因此，SiC MOSFET在建模时不能忽略温度对其转移特性的影响；Si IGBT在驱动电压Vge高于12V时，饱和集电极电流具有负温度系数，而Si CoolMOS在驱动电压高于6V对具有负温度系数，而SiC MOSFET需要较高的电压才有可能呈现负温度系数。考虑到驱动电压设计在正温度系数范围内时，如果器件工作在线性区，电流中的冲击会使得器件温度暂时上升，从而使电流冲击变得更大而导致器件失控。因此，在设计SiC驱动电路时，需要结合器件的转移特性找到合适的驱动电压或者设计相应的保护措施。    
  1.2 开关损耗与开关时间
  表3列出了三组器件在数据手册中开关损耗的测试结果，900V与650V的CoolMOS数据手册中没有给出开关损耗测试结果，无法对比。由表可知，使用SiC器件可以显著减小硬开关电路的开关损耗，提高变换器效率；从各类器件的开关时间来看，在650V低压场合，现有的SiC商业器件与CoolMOS相比在开关速度上尚不占优势，但在900V以上的场合可以显著减小开关时间。考虑到1200V SiC器件的开关损耗与开关时间相比于Si器件均大大减小，因此，SiC功率器件很适合于高频高压场合，变换器中无源元件的体积重量可以通过增加开关频率来减小，从而减小变换器的整体体积，增加功率密度。  
  1.3 体二极管特性
  表4列出了各型功率管的反并联二极管或寄生体二极管的正向导通压降与反向恢复特性的数据。由表可知，SiC MOSFET寄生体二极管存在正向导通压降大的缺点，与Si器件相比，SiC器件在功率电路中体二极管的续流损耗会增加。但是，SiC MOSFET寄生体二极管具有优越的反向恢复特性，其反向恢复时间以及恢复电荷远小于同电压等级IGBT的反并联二极管以及CoolMOS的寄生体二极管，极大地减小了电路中电流强制换向所造成的反向恢复损耗与电流尖峰。因此，在选择拓扑与控制方式时应当尽量减少体二极管中电流流过的时间，减小损耗。


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