功率轉換電路中的晶體管的作用非常重要，對其改良可以實現低損耗與應用尺寸小型化。SiC 功率元器件半導體具有低損耗、高速開關、高溫工作等優勢。

目前?SiC-MOSFET 有用的范圍是耐壓 600V 以上、特別是 1kV 以上。

表為 600V～2000V 耐壓的功率元器件的特征匯總

相對于 IGBT，SiC-MOSFET 降低了開關關斷時的損耗，實現了高頻率工作，有助于應用的小型化。

相對于同等耐壓的 SJ-MOSFET（超級結 MOSFET），導通電阻較小，可減少相同導通電阻的芯片面積，并顯著降低恢復損耗。

圖為 SiC-MOSFET 通過與 Si 功率元器件進行比較所表示的耐壓范圍

一、SiC-MOSFET 與 Si-MOSFET 的區別

與其詳細研究?SiC-MOSFET?每個參數，我們可以先弄清楚驅動方法等與 Si-MOSFET 有怎樣的區別。這里主要介紹 SiC-MOSFET 的驅動與 Si-MOSFET的比較中應該注意的兩個關鍵要點。

1.驅動電壓

SiC-MOSFET 與 Si-MOSFET 相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅動電壓即柵極－源極間電壓 Vgs 越高導通電阻越低的特性。下圖表示 SiC-MOSFET 的導通電阻與 Vgs 的關系。

圖表示?SiC-MOSFET?的導通電阻與?Vgs?的關系

導通電阻從 Vgs 為 20V 左右開始變化（下降）逐漸減少，接近最小值。一般的 IGBT 和 Si-MOSFET 的驅動電壓為 Vgs=10～15V，而 SiC-MOSFET 建議在 Vgs=18V 前后驅動，以充分獲得低導通電阻。也就是說，兩者的區別之一是驅動電壓要比 Si-MOSFET 高。與 Si-MOSFET 進行替換時，還需要探討柵極驅動器電路。

2.內部柵極電阻

SiC-MOSFET 元件本身（芯片）的內部柵極電阻 Rg 依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸。如果是相同設計，則與芯片尺寸成反比，芯片越小柵極電阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET 的芯片尺寸比 Si 元器件的小，因此柵極電容小，但內部柵極電阻增大。例如，1200V 80mΩ 產品（S2301 為裸芯片產品）的內部柵極電阻約為 6.3Ω。

這不僅局限于 SiC-MOSFET，MOSFET 的開關時間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值。SiC-MOSFET 的內部柵極電阻比 Si-MOSFET 大，因此要想實現高速開關，需要使外置柵極電阻盡量小，小到幾 Ω 左右。

但是，外置柵極電阻還承擔著對抗施加于柵極的浪涌的任務，因此必須注意與浪涌保護之間的良好平衡。

二、SiC-MOSFET?與 IGBT的區別

1.Vd-Id特性

Vd-Id 特性是晶體管最基本的特性之一。下面是 25℃ 和 150℃ 時的 Vd-Id 特性。

請看 25℃ 時的特性圖表。SiC 及 Si MOSFET 的 Id 相對 Vd（Vds）呈線性增加，但由于 IGBT 有上升電壓，因此在低電流范圍 MOSFET 元器件的 Vds 更低（對于 IGBT 來說是集電極電流、集電極-發射極間電壓）。

不言而喻，Vd-Id 特性也是導通電阻特性。根據歐姆定律，相對 Id，Vd 越低導通電阻越小，特性曲線的斜率越陡，導通電阻越低。

IGBT 的低 Vd（或低 Id ）范圍（在本例中是 Vd 到 1V 左右的范圍），在IGBT中是可忽略不計的范圍。這在高電壓大電流應用中不會構成問題，但當用電設備的電力需求從低功率到高功率范圍較寬時，低功率范圍的效率并不高。

相比之下，SiC MOSFET 可在更寬的范圍內保持低導通電阻。

此外，可以看到，與150℃ 時的 Si MOSFET 特性相比，SiC、Si-MOSFET 的特性曲線斜率均放緩，因而導通電阻增加。但是，SiC-MOSFET 在 25℃ 時的變動很小，在 25℃ 環境下特性相近的產品，差距變大，溫度增高時 SiC MOSFET 的導通電阻變化較小。

2.關斷損耗特性

前面多次提到過，SiC 功率元器件的開關特性優異，可處理大功率并高速開關。在此具體就與 IGBT 開關損耗特性的區別進行說明。

眾所周知，當 IGBT 的開關 OFF 時，會流過元器件結構引起的尾（tail）電流，因此開關損耗增加是 IGBT 的基本特性。

比較開關 OFF 時的波形可以看到，SiC-MOSFET 原理上不流過尾電流，因此相應的開關損耗非常小。在此例中，SiC-MOSFET＋SBD（肖特基勢壘二極管）的組合與 IGBT＋FRD（快速恢復二極管）的關斷損耗 Eoff 相比，降低了 88%。

還有重要的一點是 IGBT 的尾電流隨溫度升高而增加。順便提一下，SiC-MOSFET 的高速驅動需要適當調整外置的柵極電阻 Rg。

3.導通損耗特性

接下來看開關導通時的損耗。

IGBT 在開關導通時，流過 Ic（藍色曲線）用紅色虛線圈起來部分的電流。這多半是二極管的恢復電流帶來的，是開關導通時的一大損耗。請記住：在并聯使用 SiC-SBC 時，加上恢復特性的快速性，MOSFET 開關導通時的損耗減少；FRD 成對時的開關導通損耗與 IGBT 的尾電流一樣隨溫度升高而增加。

總之，關于開關損耗特性可以明確的是：SiC-MOSFET 優于 IGBT。

編輯：黃飛

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