SiC MOSFET與Si器件的動(dòng)靜態(tài)特性對(duì)比

  硅基MOSFET和IGBT等高頻功率半導(dǎo)體器件由于其應(yīng)用技術(shù)成熟，目前已廣泛用于各種領(lǐng)域。然而，隨著功率半導(dǎo)體器件使用場(chǎng)合日益豐富，對(duì)性能要求的不斷提升（高效率、高功率密度）以及工作環(huán)境更加惡劣（低溫或者高溫），硅器件的使用受到其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統(tǒng)硅基功率器件的設(shè)計(jì)瓶頸，國(guó)內(nèi)外學(xué)者尋找到以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料去替代傳統(tǒng)的硅材料，這類(lèi)新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合制作大功率、高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。
 
  SiC MOSFET作為一種具有優(yōu)異特性的功率器件，應(yīng)用在并網(wǎng)逆變器、雙有源橋雙向直流變換器、電動(dòng)汽車(chē)充電器、三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)斷路器等領(lǐng)域可以極大地提高工作頻率，減小無(wú)源元件體積，同時(shí)減小損耗和散熱器體積，提高變換器的功率密度。
 
  1. SiC MOSFET器件與Si基場(chǎng)控器件的特性對(duì)比
  傳統(tǒng)的Si基場(chǎng)控器件分為兩類(lèi)：一類(lèi)是Si MOSFET，其額定電壓通常在900V等級(jí)以下的，另一類(lèi)為Si IGBT，電壓定額在1200V及以上。為了更好地體現(xiàn)SiC與Si器件之間的特性區(qū)別，本文篩選出了功率等級(jí)相近的三組商業(yè)化器件，利用其數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，第1組（編號(hào)1-4）為1200V等級(jí)的SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si IGBT，電流等級(jí)在25A（殼溫Tc=100℃時(shí)）左右，第2組（編號(hào)5-6）與第3組（編號(hào)7-8）分別為900V以及650V電壓等級(jí)的SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si MOSFET，具體型號(hào)參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比兩代器件的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)等特性，總結(jié)SiC器件在實(shí)際應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的特性。

 
  1.1 靜態(tài)特性對(duì)比
  1.1.1 導(dǎo)通電阻
  圖1給出了1200V與900V電壓等級(jí)（650V曲線與900V類(lèi)似，不再給出）下SiC與Si器件的導(dǎo)通電阻特性對(duì)比，圖中曲線的編號(hào)對(duì)應(yīng)表1中器件的編號(hào)。從圖中可以看出，1200V等級(jí)的SiC器件相對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)在導(dǎo)通電阻方面并不占優(yōu)勢(shì)（圖中所給出的IGBT導(dǎo)通電阻是由數(shù)據(jù)手冊(cè)中的導(dǎo)通壓降與測(cè)試電流相除得出），但是相對(duì)于Si CoolMOS來(lái)說(shuō)，導(dǎo)通特性改善很大，尤其在結(jié)溫較高時(shí)。此外，Si CoolMOS的導(dǎo)通電阻與Si IGBT的導(dǎo)通壓降始終為正溫度系數(shù)，而SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻與溫度的關(guān)系更為復(fù)雜，從負(fù)溫度開(kāi)始先是負(fù)相關(guān)然后呈正相關(guān)，這就導(dǎo)致在對(duì)SiC MOSFET建模時(shí)，不能沿用以往Si器件的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停枰M(jìn)行修正，在應(yīng)用SiC MOSFET時(shí)也需要注意到其與Si基場(chǎng)控器件不一樣的溫度特性。  
  1.1.2 開(kāi)啟閾值電壓
  圖2分別給出了1200V等級(jí)SiC MOSFET與Si IGBT以及650V/900V等級(jí)的SiC MOSFET與Si CoolMOS的開(kāi)啟閾值電壓對(duì)比，其中，CoolMOS的數(shù)據(jù)手冊(cè)只給出其在25℃時(shí)的數(shù)據(jù)（圖2b中用×表示）。顯然，SiC的閾值電壓Vth遠(yuǎn)小于Si IGBT，也小于同電壓等級(jí)的CoolMOS，部分類(lèi)型的SiC MOSFET，如MicroSemi公司產(chǎn)品（圖2a中曲線2），啟動(dòng)閾值電壓已經(jīng)小于1V。此外，SiC器件的閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)的特性，為了充分發(fā)揮SiC器件的耐高溫特性，在應(yīng)用時(shí)設(shè)計(jì)SiC器件工作在結(jié)溫較高的狀態(tài)，此時(shí)，啟動(dòng)閾值電壓將會(huì)更低。因此，在用SiC器件替代Si器件時(shí)，需要其驅(qū)動(dòng)電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采取特別的措施防止功率管誤開(kāi)通。  
  1.1.3 柵-源極耐壓與柵極內(nèi)阻
  表2列出了不同電壓等級(jí)的SiC與Si基場(chǎng)控器件的柵源GS（gate-source）極耐壓范圍以及柵極內(nèi)阻。從表中可以看出SiC器件的耐負(fù)壓能力偏弱，遠(yuǎn)小于Si器件。其次，其柵極內(nèi)阻遠(yuǎn)大于CoolMOS，接近Si IGBT。因此，當(dāng)驅(qū)動(dòng)回路中存在干擾電流時(shí)，SiC器件GS端感應(yīng)出的干擾電壓相比于Si器件更有可能造成器件的破壞或者誤開(kāi)通，這也是SiC器件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)特別注意的問(wèn)題。
 
  1.1.4 轉(zhuǎn)移特性
  圖3給出了1200V與650V電壓等級(jí)的部分SiC器件與Si器件的轉(zhuǎn)移特性的對(duì)比結(jié)果。由圖可見(jiàn)，SiC器件的轉(zhuǎn)移特性與Si器件有較大的區(qū)別，SiC MOSFET的轉(zhuǎn)移特性受結(jié)溫的影響較大，因此，SiC MOSFET在建模時(shí)不能忽略溫度對(duì)其轉(zhuǎn)移特性的影響；Si IGBT在驅(qū)動(dòng)電壓Vge高于12V時(shí)，飽和集電極電流具有負(fù)溫度系數(shù)，而Si CoolMOS在驅(qū)動(dòng)電壓高于6V對(duì)具有負(fù)溫度系數(shù)，而SiC MOSFET需要較高的電壓才有可能呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)?？紤]到驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)計(jì)在正溫度系數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，如果器件工作在線性區(qū)，電流中的沖擊會(huì)使得器件溫度暫時(shí)上升，從而使電流沖擊變得更大而導(dǎo)致器件失控。因此，在設(shè)計(jì)SiC驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，需要結(jié)合器件的轉(zhuǎn)移特性找到合適的驅(qū)動(dòng)電壓或者設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)措施。    
  1.2 開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)時(shí)間
  表3列出了三組器件在數(shù)據(jù)手冊(cè)中開(kāi)關(guān)損耗的測(cè)試結(jié)果，900V與650V的CoolMOS數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有給出開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試結(jié)果，無(wú)法對(duì)比。由表可知，使用SiC器件可以顯著減小硬開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)損耗，提高變換器效率；從各類(lèi)器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)看，在650V低壓場(chǎng)合，現(xiàn)有的SiC商業(yè)器件與CoolMOS相比在開(kāi)關(guān)速度上尚不占優(yōu)勢(shì)，但在900V以上的場(chǎng)合可以顯著減小開(kāi)關(guān)時(shí)間?？紤]到1200V SiC器件的開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)時(shí)間相比于Si器件均大大減小，因此，SiC功率器件很適合于高頻高壓場(chǎng)合，變換器中無(wú)源元件的體積重量可以通過(guò)增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小，從而減小變換器的整體體積，增加功率密度。  
  1.3 體二極管特性
  表4列出了各型功率管的反并聯(lián)二極管或寄生體二極管的正向?qū)▔航蹬c反向恢復(fù)特性的數(shù)據(jù)。由表可知，SiC MOSFET寄生體二極管存在正向?qū)▔航荡蟮娜秉c(diǎn)，與Si器件相比，SiC器件在功率電路中體二極管的續(xù)流損耗會(huì)增加。但是，SiC MOSFET寄生體二極管具有優(yōu)越的反向恢復(fù)特性，其反向恢復(fù)時(shí)間以及恢復(fù)電荷遠(yuǎn)小于同電壓等級(jí)IGBT的反并聯(lián)二極管以及CoolMOS的寄生體二極管，極大地減小了電路中電流強(qiáng)制換向所造成的反向恢復(fù)損耗與電流尖峰。因此，在選擇拓?fù)渑c控制方式時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減少體二極管中電流流過(guò)的時(shí)間，減小損耗。


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