SiC MOSFET與Si器件的動靜態(tài)特性對比

  硅基MOSFET和IGBT等高頻功率半導體器件由于其應用技術成熟，目前已廣泛用于各種領域。然而，隨著功率半導體器件使用場合日益豐富，對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)硅基功率器件的設計瓶頸，國內外學者尋找到以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體材料去替代傳統(tǒng)的硅材料，這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點，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，應用在并網逆變器、雙有源橋雙向直流變換器、電動汽車充電器、三相電機驅動器、固態(tài)斷路器等領域可以極大地提高工作頻率，減小無源元件體積，同時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基場控器件的特性對比
  傳統(tǒng)的Si基場控器件分為兩類：一類是Si MOSFET，其額定電壓通常在900V等級以下的，另一類為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相近的三組商業(yè)化器件，利用其數(shù)據(jù)手冊中提供的數(shù)據(jù)進行對比，第1組（編號1-4）為1200V等級的SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si IGBT，電流等級在25A（殼溫Tc=100℃時）左右，第2組（編號5-6）與第3組（編號7-8）分別為900V以及650V電壓等級的SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si MOSFET，具體型號參數(shù)見表1。通過對比兩代器件的靜態(tài)與動態(tài)等特性，總結SiC器件在實際應用中需要重點關注的特性。

 
  1.1 靜態(tài)特性對比
  1.1.1 導通電阻
  圖1給出了1200V與900V電壓等級（650V曲線與900V類似，不再給出）下SiC與Si器件的導通電阻特性對比，圖中曲線的編號對應表1中器件的編號。從圖中可以看出，1200V等級的SiC器件相對于IGBT來說在導通電阻方面并不占優(yōu)勢（圖中所給出的IGBT導通電阻是由數(shù)據(jù)手冊中的導通壓降與測試電流相除得出），但是相對于Si CoolMOS來說，導通特性改善很大，尤其在結溫較高時。此外，Si CoolMOS的導通電阻與Si IGBT的導通壓降始終為正溫度系數(shù)，而SiC MOSFET的導通電阻與溫度的關系更為復雜，從負溫度開始先是負相關然后呈正相關，這就導致在對SiC MOSFET建模時，不能沿用以往Si器件的經驗模型，需要進行修正，在應用SiC MOSFET時也需要注意到其與Si基場控器件不一樣的溫度特性。  
  1.1.2 開啟閾值電壓
  圖2分別給出了1200V等級SiC MOSFET與Si IGBT以及650V/900V等級的SiC MOSFET與Si CoolMOS的開啟閾值電壓對比，其中，CoolMOS的數(shù)據(jù)手冊只給出其在25℃時的數(shù)據(jù)（圖2b中用×表示）。顯然，SiC的閾值電壓Vth遠小于Si IGBT，也小于同電壓等級的CoolMOS，部分類型的SiC MOSFET，如MicroSemi公司產品（圖2a中曲線2），啟動閾值電壓已經小于1V。此外，SiC器件的閾值電壓具有負溫度系數(shù)的特性，為了充分發(fā)揮SiC器件的耐高溫特性，在應用時設計SiC器件工作在結溫較高的狀態(tài)，此時，啟動閾值電壓將會更低。因此，在用SiC器件替代Si器件時，需要其驅動電路具有較強的抗干擾能力，采取特別的措施防止功率管誤開通。  
  1.1.3 柵-源極耐壓與柵極內阻
  表2列出了不同電壓等級的SiC與Si基場控器件的柵源GS（gate-source）極耐壓范圍以及柵極內阻。從表中可以看出SiC器件的耐負壓能力偏弱，遠小于Si器件。其次，其柵極內阻遠大于CoolMOS，接近Si IGBT。因此，當驅動回路中存在干擾電流時，SiC器件GS端感應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通，這也是SiC器件驅動電路設計中應當特別注意的問題。
 
  1.1.4 轉移特性
  圖3給出了1200V與650V電壓等級的部分SiC器件與Si器件的轉移特性的對比結果。由圖可見，SiC器件的轉移特性與Si器件有較大的區(qū)別，SiC MOSFET的轉移特性受結溫的影響較大，因此，SiC MOSFET在建模時不能忽略溫度對其轉移特性的影響；Si IGBT在驅動電壓Vge高于12V時，飽和集電極電流具有負溫度系數(shù)，而Si CoolMOS在驅動電壓高于6V對具有負溫度系數(shù)，而SiC MOSFET需要較高的電壓才有可能呈現(xiàn)負溫度系數(shù)?？紤]到驅動電壓設計在正溫度系數(shù)范圍內時，如果器件工作在線性區(qū)，電流中的沖擊會使得器件溫度暫時上升，從而使電流沖擊變得更大而導致器件失控。因此，在設計SiC驅動電路時，需要結合器件的轉移特性找到合適的驅動電壓或者設計相應的保護措施。    
  1.2 開關損耗與開關時間
  表3列出了三組器件在數(shù)據(jù)手冊中開關損耗的測試結果，900V與650V的CoolMOS數(shù)據(jù)手冊中沒有給出開關損耗測試結果，無法對比。由表可知，使用SiC器件可以顯著減小硬開關電路的開關損耗，提高變換器效率；從各類器件的開關時間來看，在650V低壓場合，現(xiàn)有的SiC商業(yè)器件與CoolMOS相比在開關速度上尚不占優(yōu)勢，但在900V以上的場合可以顯著減小開關時間?？紤]到1200V SiC器件的開關損耗與開關時間相比于Si器件均大大減小，因此，SiC功率器件很適合于高頻高壓場合，變換器中無源元件的體積重量可以通過增加開關頻率來減小，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導通壓降與反向恢復特性的數(shù)據(jù)。由表可知，SiC MOSFET寄生體二極管存在正向導通壓降大的缺點，與Si器件相比，SiC器件在功率電路中體二極管的續(xù)流損耗會增加。但是，SiC MOSFET寄生體二極管具有優(yōu)越的反向恢復特性，其反向恢復時間以及恢復電荷遠小于同電壓等級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制換向所造成的反向恢復損耗與電流尖峰。因此，在選擇拓撲與控制方式時應當盡量減少體二極管中電流流過的時間，減小損耗。


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