半导体材料发展路径（数据来源：浙商证券研究所 ）
碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。
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耐高温。碳化硅的禁带宽度是硅的2-3倍，在高温下电子不易发生跃迁，可耐受更高的工作温度，且碳化硅的热导率是硅的4-5倍，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以显著提升功率密度，同时降低对散热系统的要求，使终端更加轻量和小型化。 -
耐高压。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，能够耐受更高的电压，更适用于高电压器件。 -
耐高频。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，导致其器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高器件的开关频率，实现器件小型化。 -
低能量损耗。碳化硅相较于硅材料具有极低的导通电阻，导通损耗低；同时，碳化硅的高禁带宽度大幅减少泄漏电流，功率损耗降低；此外，碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低。
二. 超结(SJ)MOS器件
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；（因为Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN结材料和厚度有关））MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。（因为MOS管有Rds，如果Ids比较大，就会导致Vds很大）
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT最主要的作用就是把高压直流变为交流，以及变频（所以用在电动车上比较多）。
IGBT有N沟道型和P沟道型两种，主流的N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路如下：
所以整个过程就很简单：
当栅极G为高电平时，NMOS导通，所以PNP的CE也导通，电流从CE流过。
当栅极G为低电平时，NMOS截止，所以PNP的CE截止，没有电流流过。
IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。
IGBT的优缺点
优点：
1、具有更高的电压和电流处理能力。
2、极高的输入阻抗。
3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。
4、电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。
5、栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求
6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。
7、具有非常低的导通电阻。
8、具有高电流密度，使其能够具有更小的芯片尺寸。
9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。10、具有比 BJT 更高的开关速度。
11、可以使用低控制电压切换高电流电平。
12、双极性质，增强了传导性。
13、安全可靠。
缺点：
1、开关速度低于 MOS管。
2、因为是单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。
3、不能阻挡更高的反向电压。
4、比 BJT 和 MOS管价格更高。
5、类似于晶闸管的P-N-P-N结构，因此它存在锁存问题
IGBT的主要参数：
1、集电极-发射极额定电压UCES是IGBT在截止状态下集电极与发射极之间能够承受的最大电压，一般UCES小于或等于器件的雪崩击穿电压。
2、栅极-发射极额定电压UGE是IGBT栅极与发射极之间允许施加的最大电压，通常为20V。栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，其电压不可超过UGE。
3、集电极额定电流IC是IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流。
4、集电极-发射极饱和电压UCE是IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。该值越小，则管子的功率损耗越小。
5、开关频率在IGBT的使用说明书中，开关频率是以开通时间tON、下降时间t1和关断时间tOFF给出的，根据这些参数可估算出IGBT的开关频率，一般可达30～40kHz。在变频器中，实际使用的载波频率大多在15kHz以下。
IGBT如何选型：
1、IGBT额定电压的选择三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。
2、IGBT额定电流的选择以30kW变频器为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，择最大负载电流约为119A ，建议选择150A电流等级的IGBT。
3、IGBT开关参数的选择变频器的开关频率一般小于10kHZ，而在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT。
表1：Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件参数
此外如图 3所示，SiC MOSFET 的RDS(ON)（导通电阻）曲线呈现U形，而SJ-MOSFET的RDS(ON)随着Tj（结温）的升高而升高，这是由于SJ-MOSET的JFET（Junction Field Effect Transistor）区与漂移区电阻起主导作用，同时从图可以看出SiC MOSFET在高温下依然保持较低的导通损耗，而在使用SJ-MOSFET需要特别关注RDS(ON)上升对散热的要求。
图3：Si SJ-MOSFET(图左)与SiC MOSFET（图右）RDS(ON)-TJ特性曲线
表2 ：Si SJ-MOSFET和 SiC MOSFET动态参数
表3：为SiC MOSFET和Si IGBT器件静态参数
图 6为选取IKW25T120与C2M0080120D进行参数对比，可以看出SiC MOSFET和Si IGBT的传递特性形态基本相似，当VGS小于VTH时是正温系数，当VGS较高时呈现负温系数。
图 7为器件的输出特性曲线，SiC MOSFET的ID-VDS曲线是从零点开始，是由于其电阻特性，而Si IGBT是在VCE大于VCEsat(饱和压降)后才有电流输出，这是因为IGBT其内部寄生BJT（Bipolar junction Transistor）负责导通。因此在小电流下IGBT的导通压降更大，SiC MOSFET导通损耗更小。在大电流下IGBT能够在较小的导通压降下流通更大的电流，所以IGBT的跨导更大。
表4 ：SiC MOSFET和Si IGBT器件动态参数
图10：Si IGBT 与SiC MOSFET Turn off曲线
图11：SiC MOSFET与Si SJ-MOSFET Turn off曲线
根据电源开关电路的工作条件，我们应在电源开关电路中使用哪种半导体器件？
以H桥作为AC-DC转换器的设计为例。直流母线电压为370V，变压器中的电流约为3A，开关的工作频率为15至25kHz。出于安全原因，我们选择一种能够承受650V开关和至少30A的组件。我们没有胶合逻辑，计划使用硅绝缘栅双极晶体管（IGBT），硅超结（SJ），SiC或GaN器件。
100W辅助器件中SiC MOSFET的简单示例电源
选择使用哪种器件的方法是关注其工作条件。通过回答以下一系列问题来做出选择：
·电路设计的开关频率是否低于20kHz？
·功率水平是否高于3kW？
·如果低成本很重要，那么系统成本低吗？
·由三相电网供电么？
如果以上任何一个答案为“是”，则最好的选择是Si IGBT。
如果设计不符合这些条件，那么下一组问题将有助于缩小选择范围：
·开关频率是否在20 kHz至100kHz之间？
·设计将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？
·设计是否需要以适中的成本实现高效率？
·设计将由单相电网供电吗？
如果设计满足这些特性，那么最好的器件选择是Si SJ MOSFET。
如果设计不符合这些标准，那么我们可以继续选择：
·开关频率是否高于100kHz？
·设计将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？
·数kw的功率吗？需要高效率吗？
·设计是否应允许功率双向流动？
·是由三相电网提供吗？
如果满足这些条件，则最好的器件选择是SiC MOSFET。
或者以下判断标准：
·设计的开关频率是否会高于100kHz且在MHz范围内？
·它将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？
·该设计是否应支持最大功率密度和效率的中等功率（最高数百瓦）？
·设计将由单相电网提供吗？
如果设计确实满足这些标准，则最好的选择可能是GaN MOSFET。
根据目标应用选择设备
同样，我们可以通过一组标准来定义要使用的设备。通常，应围绕Si IGBT设计驱动功率超过250W的电机驱动器，运行功率超过3kW的功率因数校正（PFC）电路，运行功率超过5kW的太阳能/风能逆变器以及UPS和H桥逆变器。
适用于AC-DC应用的中复杂度10kW六包PFC转换器
对于工作在250W以下的电动机驱动器，工作在75W至3kW之间的DC-DC转换器，中低功率PFC电路和LCC转换器，正向转换器电源，通用输入AC-DC反激电路以及太阳能微逆变器应使用Si SJ MOSFET。
应该使用SiC MOSFET来构建更高功率的设计，例如以3kW以上的功率运行的PFC电路，以5kW以上的太阳能逆变器，一些电动汽车和车载充电器以及一些不间断电源和嵌入式PFC电路。
双向有源PFC转换器，用于AC / DC应用，逆变器或电动汽车车载充电器
最后，应围绕GaN MOSFET设计由单相电网供电，工作电压低于650V，工作电压在75W至750W之间，且需要小型，凉爽和便携式的应用。
在设备的性能，成本，操作要求，尺寸，热效率，可用性等之间，设计选择之间总是需要权衡取舍。引入Sic和GaN技术可能会通过引入更多选项使探索这些折衷变得更加复杂，但是在某些应用中，它可以帮助您的设计更接近于完美。
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