碳化硅MOSFET与硅MOSFET的应用对比分析

陈之勃，陈永真

（辽宁工业大学电子与信息工程学院，锦州 121001）

功率半导体器件的开关速度与导通电压的矛盾随着耐压的提高越来越明显。以第3代MOSFET为例，在结温150℃和额定电流条件下，额定电压100 V时其导通电压一般不高于2 V；而额定电压1 000～1 200 V时，MOSFET导通电压将超过30 V。虽然MOSFET在不断地改善，但目前性能优秀的硅MOSFET的导通电压仍不低于21 V。尽管IGBT可以有效地降低其导通电压，但是拖尾电流带来的开关损耗在频率50 kHz以上的硬开关应用中将不可容忍。因此，需要一种既有高额定电压又具有极快开关速度、同时导通电压明显低于硅MOSFET的理想的电力半导体器件。碳化硅MOSFET具有高耐压、极快的开关速度、低的导通电压。

1 200 V/24 A的碳化硅MOSFET（CREE公司的CMF10120D）的主要参数为：导通电阻249 mΩ（结温135℃）、栅极电荷0.047 1 μC、米勒电荷21.5 nC；最先进的硅MOSFET（IXYS公司的IXFL32N120 P）的主要参数为：导通电阻820 mΩ（结温135℃）、栅极电荷0.36 μC、米勒电荷160 nC。应用常规技术的相同电压和电流的高压MOSFET（Microsemi公司的APT24M120B2）导通电阻为1.5 Ω （结温135℃）、栅极电荷0.26 μC、米勒电荷120 nC。很显然，碳化硅MOSFET的关键性能上性能远远优于硅MOSFET。

目前，以CERR公司制造的碳化硅MOSFET水平最高，商品器件水平为单管：1 200 V/90 A/25 mΩ；模块：1 200 V/300 A/5 mΩ；2012年高压碳化硅MOSFET半桥模块水平为10 kV/120 A，每个单元由12个MOSFET管芯并联和6个SiC二极管并联而成；10 kV的碳化硅MOSFET正由电科院测试，预计将应用于智能电网领域。1 200 V耐压的碳化硅MOSFET主要应用于替代同领域的硅MOSFET和硅IGBT，可以获得更便捷的驱动方式和更低的导通损耗与开关损耗，有利于减小无源元件体积，进而减小整机的体积。

1 碳化硅MOSFET与硅MOSFET开关特性对比测试

为了对比碳化硅MOSFET与硅MOSFET应用性能的差异，本文将碳化硅MOSFET与硅MOSFET分别应用于同一交流380 V电源供电的反激式开关电源上。测试仪器为：隔离通道示波器，型号TPS2024；电流探头，型号TCP305A。

1.1 栅漏电压，漏源电压波形的对比测试

图1为碳化硅MOSFET栅极电压波形，图2为硅MOSFET栅极电压波形。

图1和图2中，碳化硅MOSFET栅极电压上升时间为340 ns，硅MOFET栅极电压上升时间为3 880 ns，很显然碳化硅MOSFET比硅MOSFET快一个数量级。不仅如此，由于米勒电荷造成的栅极电压波形的“平台”时间，碳化硅MOSFET不到100 ns，而硅MOSFET至少要1 μs。

图1 碳化硅MOSFET栅极电压上升波形Fig.1 Waveform of the raising voltage at SiC MOSFET

图2 硅MOSFET栅极电压上升波形Fig.2 Waveform of the raising voltage Si MOSFET gate

反激式变换器中开关管损耗主要是关断损耗，可以通过漏极—源极电压上升时间衡量。在相同的栅极驱动条件下，碳化硅MOSFET和硅MOSFET的漏极—源极电压波形分别如图3和图4所示。

图3、图4中，碳化硅MOSFET的电压上升时间为92 ns，而硅MOFET的电压上升时间为500 ns，很显然碳化硅MOSFET明显快于硅MOSFET。

图3 碳化硅MOSFET漏极-源极电压上升波形Fig.3 Waveform of the raising voltage of SiC MOSFET drain-source

图4 硅MOSFET漏极-源极电压上升波形Fig.4 Waveform of the raising voltage of Si MOSFET drain-source

1.2 MOSFET工作损耗的对比

两种MOSFET的工作损耗测试结果如图5和图6所示。由图5、图6看到，在栅极驱动电压约12 V的状态下，碳化硅MOSFET的导通电阻约为栅极电压20 V状态下的3倍以上，因此碳化硅MOSFET并没有显现优势。由于碳化硅MOFET的开关速度明显快于硅MOSFET，因此在关断损耗产生明显的差别。碳化硅 MOSFET的关断损耗为6.26 W，而硅MOSFET的关断损耗则为61.0 W。

当碳化硅MOSFET的栅极驱动电压为20 V，则结温在室温状态下导通损耗会降低到图5的1/4；在135℃高结温状态下碳化硅MOSFET的导通电阻也仅仅上升20%，而硅MOSFET则上升240%。

图5 SiC MOSFET的器件损耗Fig.5 Power loss of SiC MOSFET

图6 Si MOSFET的器件损耗Fig.6 Power loss of silicon MOSFET

2 整机效率的对比

相对于硅MOSFET，碳化硅MOSFET的高开关速度在本实验实例中损耗明显的降低，图7为采用碳化硅 MOSFET时整机的输入功率，图8为采用先进的硅MOSFET时整机的输入功率。

图7 采用SiC MOSFET的输入功率Fig.7 Input power using SiC MOSFET

图8 采用Si MOSFET的输入功率Fig.8 Input power using silicon MOSFET

由图7可见，碳化硅MOSFET的输入功率为1.28 kW，由图8可见，硅MOSFET的输入功率为1.33 kW；两者相差0.05 kW，为硅MOSFET的高于碳化硅MOSFET损耗部分，占总输入功率3.8%。由此表明即使直接用碳化硅 MOSFET替代硅MOSFET，也会提高近3%的效率。

实验结果如表1。

表1 交流输入386 V状态下的效率对比Tab.1 Comparison of efficiency at 386 V AC input

3 结论

碳化硅 MOSFET是一个性能优异的高压开关器件，不仅具有良好的阻断能力、低导通电压，同时具备了极快的开关速度，是众多的高压可关断型电力半导体器件中的佼佼者。其极快的开关速度可以用于高压、高频的开关功率变换领域。

由于碳化硅MOSFET栅极电荷远低于硅MOSFET，即使是大功率碳化硅MOSFET也可以用一般的开关电源芯片直接驱动，而即使是相应电压、电流参数的高性能硅MOSFET则需要至少5倍于驱动碳化硅 MOSFET的驱动能力才能使硅MOSFET具有比较快的开关速度。这时的应用碳化硅MOSFET可以应用驱动能力一般的驱动技术。或者在相同的驱动条件下，碳化硅MOSFET具有比硅MOSFET快一个数量级的开关速度。

相同的漏极电流条件下，碳化硅MOSFET的导通电压是高性能硅MOSFET导通电压的一半，在高结温条件下碳化硅MOSFET导通电压则可能为高性能硅MOSFET的1/4。如果将栅极驱动电压提升至20 V，则效率的提高会更明显。

本文实验结果表明，直接将碳化硅 MOSFET替代硅MOSFET，可以在20%～100%负载范围内提高整机效率3%左右。

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