
碳化硅(Sic)器件具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率、更高的抗辐射能力……特性。产品通过工业级、车规级可靠性测试,应用于太阳能逆变电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频电焊、轨道交通、工业控制特种电源、国防军工等领域。其具有高速开关和低导通电阻的特性,即使在高温条件下也能体现优异的电气特性,大幅降低开关损耗,使元器件更小型化及轻量化,效能更高效,提高系统整体可靠性。可使电动汽车在续航里程提升10%,整车重量降低5%左右,并实现设计用充电桩的高温环境下安全、稳定运行。

下表是600V~2000V耐压的功率元器件的特征汇总。

雷达图的RonA为单位面积的导通电阻(表示传导时损耗的参数),BV为元器件耐压,Err为恢复损耗,Eoff为关断开关的损耗。SiC已经很完美,在目前情况的比较中绝非高估。
二、功率晶体管的结构与特征比较
下图是各功率晶体管的结构、耐压、导通电阻、开关速度的比较。


三、SiC-MOSFET与Si-MOSFET的区别
尚未使用过SiC-MOSFET的人,与其详细研究每个参数,不如先弄清楚驱动方法与Si-MOSFET的区别。
与Si-MOSFET的区别:驱动电压
SiC-MOSFET与Si-MOSFET相比,由于漂移层电阻低,通道电阻高,因此具有驱动电压即栅极-源极间电压Vgs越高导通电阻越低的特性。下图表示SiC-MOSFET的导通电阻与Vgs的关系。

导通电阻从Vgs为20V左右开始变化(下降)逐渐减少,接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驱动电压为Vgs=10~15V,而SiC-MOSFET建议在Vgs=18V前后驱动,以充分获得低导通电阻。也就是说,两者的区别之一是驱动电压要比Si-MOSFET高。与Si-MOSFET进行替换时,还需要探讨栅极驱动器电路。
与Si-MOSFET的区别:内部栅极电阻
SiC-MOSFET元件本身(芯片)的内部栅极电阻Rg依赖于栅电极材料的薄层电阻和芯片尺寸。如果是相同设计,则与芯片尺寸成反比,芯片越小栅极电阻越高。同等能力下,SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小,因此栅极电容小,但内部栅极电阻增大。

这不仅局限于SiC-MOSFET,MOSFET的开关时间依赖于外置栅极电阻和上面介绍的内部栅极电阻合在一起的综合栅极电阻值。SiC-MOSFET的内部栅极电阻比Si-MOSFET大,因此要想实现高速开关,需要使外置栅极电阻尽量小,小到几Ω左右。
与IGBT的区别
Vd-Id特性是晶体管最基本的特性之一。下面是25℃和150℃时的Vd-Id特性。

此外,可以看到,与150℃时的Si MOSFET特性相比,SiC、Si-MOSFET的特性曲线斜率均放缓,因而导通电阻增加。但是,SiC-MOSFET在25℃时的变动很小,在25℃环境下特性相近的产品,差距变大,温度增高时SiC MOSFET的导通电阻变化较小。
与IGBT的区别:关断损耗特性
前面多次提到过,SiC功率元器件的开关特性优异,可处理大功率并高速开关。在此具体就与IGBT开关损耗特性的区别进行说明。

比较开关OFF时的波形可以看到,SiC-MOSFET原理上不流过尾电流,因此相应的开关损耗非常小。在本例中,SiC-MOSFET+SBD(肖特基势垒二极管)的组合与IGBT+FRD(快速恢复二极管)的关断损耗Eoff相比,降低了88%。
还有重要的一点是IGBT的尾电流随温度升高而增加。顺便提一下,SiC-MOSFET的高速驱动需要适当调整外置的栅极电阻Rg。这在前文“与Si-MOSFET的区别”中也提到过。

四、体二极管的特性

五、SiC-MOSFET体二极管的正向特性
下图表示SiC-MOSFET的Vds-Id特性。在SiC-MOSFET中,以源极为基准向漏极施加负电压,体二极管为正向偏置状态。该图中Vgs=0V的绿色曲线基本上表示体二极管的Vf特性。Vgs为0V即MOSFET在关断状态下,没有通道电流,因此该条件下的Vd-Id特性可以说是体二极管的Vf-If特性。

六、SiC-MOSFET体二极管的反向恢复特性
MOSFET体二极管的另一个重要特性是反向恢复时间(trr)。trr是二极管开关特性相关的重要参数。MOSFET的体二极管是具有pn结的二极管,因而存在反向恢复现象,其特性表现为反向恢复时间(trr)。下面是1000V耐压的Si-MOSFET和SiC-MOSFET 的trr特性比较。

如图所示,示例的Si-MOSFET的trr较慢,流过较大的Irr。而SiC-MOSFET 的体二极管速度则非常快。trr、Irr均为几乎可忽略的水平,恢复损耗Err已经大幅降低。
七、SiC-MOSFET的应用实例
SiC-MOSFET应用实例1:移相DC/DC转换器



首先,在SiC-MOSFET的组成中,发挥了开关性能的优势实现了Si IGBT很难实现的100kHz高频工作和功率提升。另外,第二代(2G)SiC-MOSFET中,由2个晶体管并联组成了1个开关,但由于第三代(3G)SiC-MOSFET导通电阻更低,晶体管数得以从8个减少到4个。关于效率,采用第三代(3G)SiC-MOSFET时的结果最理想,无论哪种SiC-MOSFET的效率均超过Si IGBT。
SiC-MOSFET应用实例2:脉冲电源



1~10kV随机脉冲发生器:13.2kV SiC开关


