GaN晶体管与SiC MOSFET有何区别（下）

碳化硅MOSFET的特性

与氮化镓晶体管类似，碳化硅MOSFET同样具有导通电阻小，寄生参数小等特点，另外其体二极管特性也比硅MOSFET大为提升。

图11是英飞凌碳化硅650V 耐压MOSFET CoolSiC与目前业界体二极管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的两项主要指标RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的对比，前一项是衡量体二极管反向恢复特性的指标，后一项是衡量MOSFET输出电容上存储的电荷量的指标。

这两项数值越小，表明反向恢复特性越好，存储的电荷越低（软开关拓扑中，半桥结构上下功率管所需要的死区越短）。

可以看出，碳化硅MOSFET相比相近导通电阻的硅MOSFET，反向恢复电荷只有1/6左右，输出电容上的电荷只有1/5左右。因此碳化硅MOSFET特别适合于体二极管会被硬关断的拓扑（例如电流连续模式图腾柱无桥PFC）及软开关拓扑（LLC，移相全桥等）。

碳化硅MOSFET还有一项出众的特性：短路能力。相比硅MOSFET短路时间大大提升，这对于变频器等马达驱动应用非常重要，图12给出了CoolSiC、CoolMOS短路能力的对比图。从图可知CoolSiC实现了短路时间长，短路电流小等优异特性，短路状态下的可靠性大大提高。

图11：碳化硅MOSFET和硅MOSFET的性能对比

图12：碳化硅MOSFET短路能力比较

第3章对氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET各自的结构和特性进行了介绍，下面将对两者在参数上和实际电路上进行对比。

氮化镓和碳化硅 MOSFET对比

电气参数对比

表2是氮化镓晶体管CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC，对两种功率半导体的关键参数进行了对比。

表2：CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC关键参数对比

从表2可知，氮化镓晶体管在动态参数上都低于碳化硅MOSFET，因此氮化镓晶体管的开关损耗低于碳化硅MOSFET，在高工作频率下的优势会更明显。

电流反向流动时（源极到漏极）氮化镓晶体管的压降与其门极到源极的驱动电压相关，需要根据应用情况对比孰高孰低。对于最后一项门限电压Vgs(th), 氮化镓晶体管的数值非常小，意味着对于氮化镓晶体管的驱动设计要非常注意，如果门极上的噪声较大，有可能引起氮化镓晶体管的误开通。

同时CoolGaN为电流型驱动模式，与传统的电压型驱动有所不同。而碳化硅MOSFET的门限电压高很多，其驱动要求与IGBT驱动非常接近。

图13给出了另外一个重要的参数的对比，即导通电阻RDS(on)随温度变化率。众所周知功率半导体开关的导通电阻都是正温度系数，即结温越高则导通电阻越大。从图13可知碳化硅MOSFET的温升系数远小于氮化硅晶体管以及硅MOSFET，在结温100°C时相差已经达到30%和50%。

根据图13可知，假设在25°C结温时碳化硅MOSFET和氮化镓晶体管的导通电阻相同，在同一个应用电路中意味着两者的导通损耗(〖I_Drms〗^2*R_(DS(on)))相同，但是当两者的结温升高到100°C时，碳化硅MOSFET的导通损耗只有氮化硅晶体管的70%，这对于那些环境要求苛刻，高温下也需要保持高效率的应用场景非常具有吸引力。

图13：碳化硅MOSFET，氮化镓晶体管和硅MOSFET导通电阻随结温变化曲线

应用对比

首先在图7所示的电流连续模式(CCM)的图腾柱(totem-pole)无桥PFC电路上对氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET对转换效率的影响进行了测试，测试条件如表3所示。

表3：PFC电路测试条件

测试中每种功率开关都测试了两种导通电阻的器件，对于氮化镓晶体管，RDS(on)分别为35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET则分别是65mohm和80mohm。测试结果如图14所示。在轻载情况下由于功率开关的开关损耗高于导通损耗，因此氮化镓晶体管的效率明显高于碳化硅晶体管。当负载逐渐加重时，导通损耗在总损耗中的占比高于开关损耗。同时由于负载加大，功率开关的温升升高，而根据图13导通电阻随结温的变化率可知碳化硅晶体管的导通电阻随温度上身而增加较小，因此在高温下两种功率开关的效率差异已经非常小，虽然碳化硅晶体管的25°C下的导通电阻是高于氮化镓晶体管的。

图14：碳化硅MOSFET，氮化镓晶体管在PFC级效率曲线

接下来对用于3KW输出功率，采用两相交错并联半桥LLC的电路拓扑中的氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET在不同工作频率下的计算得到的效率进行比较，计算中忽略掉了频率上升导致磁性元件（包括谐振电感，主功率电感）损耗上升的影响。电路拓扑如图15所示。氮化镓晶体管选用的型号为IGOT60R070D1(25°C下的最大RDS(on)为70mohm)，共8颗。碳化硅MOSFET选用的型号为IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS(on)为64mohm)，共8颗。

图15：两相交错并联LLC电路示意图

在50%负载（1500W），常温工作环境下，不同工作频率下的效率对比如图16所示。在工作频率较低（<100khz）时，采用导通电阻相近的氮化镓晶体管和碳化硅mosfet效率相近，且都可以达到非常高(>99.2%)的效率，当工作频率提升到300KHz后，氮化镓由于其非常小的寄生参数，开关损耗占总损耗的比例较低，因此其效率的降低很小（0.08%），而碳化硅MOSFET的效率会下降0.58%（99.28%-98.7%）。当工作频率上升到500KHz后，两者效率差距就很大了（1%）。当然如果对于一个实际的电路，考虑到频率上升会引起磁性元件损耗的急剧上升，两者的效率差异就不会这么大，但是效率变化的趋势是一样的。