SiC-MOSFET与Si-MOSFET的区别 SiC-MOSFET与IGBT的区别

功率转换电路中的晶体管的作用非常重要，对其改良可以实现低损耗与应用尺寸小型化。SiC 功率元器件半导体具有低损耗、高速开关、高温工作等优势。

目前 SiC-MOSFET 有用的范围是耐压 600V 以上、特别是 1kV 以上。

表为 600V～2000V 耐压的功率元器件的特征汇总

相对于 IGBT，SiC-MOSFET 降低了开关关断时的损耗，实现了高频率工作，有助于应用的小型化。

相对于同等耐压的 SJ-MOSFET（超级结 MOSFET），导通电阻较小，可减少相同导通电阻的芯片面积，并显著降低恢复损耗。

图为 SiC-MOSFET 通过与 Si 功率元器件进行比较所表示的耐压范围

一、SiC-MOSFET 与 Si-MOSFET 的区别

与其详细研究 SiC-MOSFET 每个参数，我们可以先弄清楚驱动方法等与 Si-MOSFET 有怎样的区别。这里主要介绍 SiC-MOSFET 的驱动与 Si-MOSFET的比较中应该注意的两个关键要点。

1.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。

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。

2.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。例如，1200V 80mΩ 产品（S2301 为裸芯片产品）的内部栅极电阻约为 6.3Ω。

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。

但是，外置栅极电阻还承担着对抗施加于栅极的浪涌的任务，因此必须注意与浪涌保护之间的良好平衡。

二、SiC-MOSFET 与 IGBT的区别

1.Vd-Id特性

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。

请看 25℃ 时的特性图表。SiC 及 Si MOSFET 的 Id 相对 Vd（Vds）呈线性增加，但由于 IGBT 有上升电压，因此在低电流范围 MOSFET 元器件的 Vds 更低（对于 IGBT 来说是集电极电流、集电极-发射极间电压）。

不言而喻，Vd-Id 特性也是导通电阻特性。根据欧姆定律，相对 Id，Vd 越低导通电阻越小，特性曲线的斜率越陡，导通电阻越低。

IGBT 的低 Vd（或低 Id ）范围（在本例中是 Vd 到 1V 左右的范围），在IGBT中是可忽略不计的范围。这在高电压大电流应用中不会构成问题，但当用电设备的电力需求从低功率到高功率范围较宽时，低功率范围的效率并不高。

相比之下，SiC MOSFET 可在更宽的范围内保持低导通电阻。

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。

2.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。

众所周知，当 IGBT 的开关 OFF 时，会流过元器件结构引起的尾（tail）电流，因此开关损耗增加是 IGBT 的基本特性。

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。在此例中，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。

3.导通损耗特性

接下来看开关导通时的损耗。

IGBT 在开关导通时，流过 Ic（蓝色曲线）用红色虚线圈起来部分的电流。这多半是二极管的恢复电流带来的，是开关导通时的一大损耗。请记住：在并联使用 SiC-SBC 时，加上恢复特性的快速性，MOSFET 开关导通时的损耗减少；FRD 成对时的开关导通损耗与 IGBT 的尾电流一样随温度升高而增加。

总之，关于开关损耗特性可以明确的是：SiC-MOSFET 优于 IGBT。

编辑：黄飞