一文了解SiC碳化硅MOSFET的应用及性能优势

共读好书

碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料，碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。

碳化硅MOSFET具有高频高效，高耐压，高可靠性。可以实现节能降耗，小体积，低重量，高功率密度等特性，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。

一. 碳化硅MOSFET常见封装TO247

碳化硅MOSFET是一种基于碳化硅半导体材料的场效应晶体管。它的工作原理类似于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。主要由以下三个部分组成：

栅极（Gate）： 栅极是用于控制MOSFET导通的部分。当施加正电压时，栅极与通道之间形成电场，控制通道的导电性。

源极（Source）和漏极（Drain）： 源极和漏极分别是MOSFET的输入和输出端。通过控制栅极电压，调节源极和漏极之间的电流流动。

通道（Channel）： 通道是源极和漏极之间的导电路径。在碳化硅MOSFET中，通道由碳化硅材料构成，具有较高的载流子迁移率和耐压能力。

碳化硅MOSFET的工作原理可以简述如下：当栅极施加正电压时，形成电场，使得通道中的载流子（电子或空穴）移动，导致源极和漏极之间形成导电路径。通过调节栅极电压，可以控制通道中的载流子浓度，从而控制MOSFET的导通程度。

二. 碳化硅MOSFET分平面结构和沟槽结构

三.相对应于硅基MOSFET以及IGBT，碳化硅MOSFTE有以下优点：

01

╱ 高工作频率 ╱

传统MOSFET工作频率在60KHZ左右，而碳化硅MOSFET在1MHZ，甚至更高

用途：高频工作，可以减小电源系统中电容以及电感或变压器的体积，降低电源成本，让电源实现小型化，美观化。从而实现电源的升级换代。

02

╱ 低导通阻抗 ╱

碳化硅MOSFET单管最小内阻可以达到几个毫欧，这对于传统的MOSFET看来是不可想象的。市场量产碳化硅MOSFET最低内阻在16毫欧。

用途：轻松达到能效要求，减少散热片使用，降低电源体积和重量，电源温度更低，可靠性更高。

03

╱ 耐压高 ╱

碳化硅MOSFET目前量产的耐压可达3300V，最高耐压6500V,一般硅基MOSFET和IGBT常见耐压耐压900V-1200V。

04

╱ 耐高温 ╱

碳化硅MOSFET芯片结温可达300度，可靠性，稳定性大大高于硅基MOSFET，

综上所述：使用碳化硅MOSFET可以让电源实现高效率，小体积，在一些高温，高压环境，在一定优势。

四.碳化硅MOSFET的综合特性

01

SiC器件的结构和特征

SiC器件漂移层的阻抗比Si器件低，不需要进行电导率调制就能够以高频器件结构的MOSFET实现高耐压和低阻抗。而且MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC MOSFET替代IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。另外，SiC MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动，从而也可以实现被动器件的小型化。与600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的优势在于芯片面积小（可以实现小型封装），而且体二极管的恢复损耗非常小。

2

SiC Mosfet的导通电阻

SiC 的绝缘击穿场强是Si 的10倍，所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。因此，在相同的耐压值的情况下，SiC 可以得到标准化导通电阻（单位面积导通电阻）更低的器件。例如900V时，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以实现相同的导通电阻。不仅能够以小封装实现低导通电阻，而且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。目前SiC 器件能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。因此，没有必要再采用IGBT这种双极型器件结构（导通电阻变低，则开关速度变慢) ，就可以实现低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器件。

3

3Vd-Id特性

SiC‐MOSFET 与IGBT 不同，不存在开启电压，所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。而Si MOSFET 在150℃时导通电阻上升为室温条件下的2 倍以上，与Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比较低，因此易于热设计，且高温下的导通电阻也很低。

4

驱动门极电压和导通电阻

SiC‐MOSFET 的漂移层阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照现在的技术水平，SiC MOSFET的MOS 沟道部分的迁移率比较低，所以沟道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的门极电压，可以得到越低的导通电阻（Vgs=20V 以上则逐渐饱和）。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驱动电压Vgs=10～15V 的话，不能发挥出SiC 本来的低导通电阻的性能，所以为了得到充分的低导通电阻，推荐使用Vgs=18V左右进行驱动。负压建议-3左右。现推出低导通内阻的碳化硅MOSFET，Vgs=15V进行驱动，后续推出Vgs=12V进行驱动碳化硅MOSFET,让驱动电压和硅基器件一至。

5

Vg-Id特性

SiC MOSFET 的阈值电压在数mA 的情况下定义的话，与Si‐MOSFET 相当，室温下大约3V（常闭）。但是，如果流通几个安培电流的话，需要的门极电压在室温下约为8V 以上，所以可以认为针对误触发的耐性与IGBT 相当。温度越高，阈值电压越低。

6

Turn-On特性

SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度与Si IGBT 和Si MOSFET 相当，大约几十ns。但是在感性负载开关的情况下，由通往上臂二极管的回流产生的恢复电流也流过下臂，由于各二极管性能的偏差，从而产生很大的损耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的体二极管的通常恢复电流非常大，会产生很大的损耗，而且在高温下该损耗有进一步增大的趋势。与此相反，SiC二极管不受温度影响，可以快速恢复，SiC MOSFET 的体二极管虽然Vf 较高但是与碳化硅二极管相同，具有相当的快速恢复性能。通过这些快速恢复性能，可以减少Turn‐on 损耗（Eon）好几成。开关速度极大程度上决定于外部的门极电阻Rg。为了实现快速动作，推荐使用几Ω左右的低阻值门极电阻。另外还需要考虑到浪涌电压，选择合适的门极电阻。

7

Turn-Off特性

SiC MOSFET 的最大特点是原理上不会产生如IGBT中经常见到的尾电流。SiC 即使在1200V 以上的耐压值时也可以采用快速的MOSFET 结构，所以，与IGBT 相比，Turn‐off 损耗（Eoff）可以减少约90%，有利于电路的节能和散热设备的简化、小型化。而且，IGBT 的尾电流会随着温度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 几乎不受温度的影响。另外，由于较大的开关损耗引起的发热会致使结点温度（Tj）超过额定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高频区域内使用，但SiC MOSFET 由于Eoff 很小，所以可以进行50KHz 以上的高频开关动作。通过高频化，可以使滤波器等被动器件小型化。

8

内部门极电阻

芯片内部门极电阻与门极电极材料的薄层阻抗和芯片尺寸相关。如果是相同的设计，芯片内部门极电阻与芯片尺寸呈反比例，芯片尺寸越小，门极电阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器件小，虽然结电容更小，但是同时门极电阻也就更大。

9

门极驱动电路

SiC MOSFET 是一种易于驱动、驱动功率较少的常闭型、电压驱动型的开关器件。基本的驱动方法和IGBT 以及Si MOSFET一样。推荐的驱动门极电压，ON 侧时为+18V 左右，OFF 侧时为0V。在要求高抗干扰性和快速开关的情况下，也可以施加‐3～‐5V 左右的负电压。当驱动大电流器件和功率模块时，推荐采用缓冲电路。

10

体二极管的 Vf 和逆向导通

与Si MOSFET 一样，SiC MOSFET体内也存在因PN结而形成的体二极管（寄生二极管）。但是由于SiC的带隙是Si的3倍，所以SiC MOSFET的PN二极管的开启电压大概是3V左右，比较大，而且正向压降（Vf）也比较高。以往，当Si MOSFET外置回流用的快速二极管时，由于体二极管和外置二极管的Vf大小相等，为了防止朝向恢复慢的体二极管侧回流，必须在MOSFET上串联低电压阻断二极管，这样的话，既增加了器件数量，也使导通损耗进一步恶化。然而，SiC MOSFET的体二极管的Vf 比回流用的快速二极管的Vf还要高出很多，所以当逆向并联外置二极管时，不需要串联低压阻断二极管。

体二极管的Vf比较高，这一问题可以通过如同整流一样向门极输入导通信号使其逆向导通来降低。逆变驱动时，回流侧的臂上多数是在死区时间结束之后输入门极导通信号（请确认使用中的CPU的动作），体二极管的通电只在死区时间期间发生，之后基本上是经由沟道逆向流过。因此，即使在只由MOSFET（无逆向并联的SBD）构成的桥式电路中，体二极管的Vf较高也没有问题。

11

体二极管的恢复特性

SiC MOSFET的体二极管虽然是PN 二极管，但是少数载流子寿命较短，所以基本上没有出现少数载流子的积聚效果，与SBD 一样具有超快速恢复性能（几十ns）。因此Si MOSFET的体二极管与IGBT外置的FRD相比，其恢复损耗可以减少到IGBT外置的FRD的几分之一到几十分之一。体二极管的恢复时间与SBD相同，是恒定的，不受正向输入电流If的影响（dI/dt 恒定的情况下）。在逆变器应用中，即使只由MOSFET 构成桥式电路，也能够实现非常小的恢复损耗，同时还预期可以减少因恢复电流而产生的噪音，达到降噪。

从以上这些方面就能看出SiC MOSFET相对于Si IGBT和MOSFET的优势所在。

五.碳化硅MOSFET应用案例

OBC和DC/DC中应用

                                            充电桩中应用

                                                    光伏中应用

燃料电池系统中应用

                                            白色家电中应用

六.碳化硅MOSFET应用领域

七.碳化硅MOSFET产品选型

八.碳化硅MOSFET新产品

产品线：碳化硅MOSFET晶圆片--碳化硅MOSFET单管--全碳化硅功率模块

总结：

电力电子变换已经逐步进入高压、特高压领域，高压功率器件是制约变换器体积、功耗和效率的决定性因素。特高压交直流输电、新能源并网、电动汽车等领域都对高电压等级功率器件有着更高的要求和需求。目前，硅（Si）材料器件发展成熟、使用广泛、性能可靠，然而其较小的禁带宽度、击穿电场和热导率等特性大大制约了其在高功率、高电压和高频率下的应用。SiC作为宽禁带半导体之一，在人们的探索和研究中逐渐走进了功率器件的舞台，并凭借其比Si材料更高的禁带宽度、击穿场强和热导率等优良特性，打破了Si材料的极限，在高电压等级和大功率电能变换应用中体现出了较低的功率损耗、更高的开关频率等优越性能，具有极大的潜力。

来源： SIC碳化硅MOS管及功率模块的应用

审核编辑 黄宇