功率轉換電路中的晶體管的作用非常重要，對其改良可以實現低損耗與應用尺寸小型化。SiC功率元器件半導體具有低損耗、高速開關、高溫工作等優勢。目前SiC-MOSFET有用的范圍是耐壓600V以上、特別是1kV以上。

圖為600V-2000V耐壓的功率元器件的特征

相對于IGBT，SiC-MOSFET降低了開關關斷時的損耗，實現了高頻率工作，有助于應用的小型化。相對于同等耐壓的SJ-MOSFET，導通電阻較小，可減少相同導通電阻的芯片面積，并顯著降低恢復損耗。

圖為SiC-MOSFET通過與Si功率元器件進行比較所表示的耐壓范圍

一、SiC-MOSFET與Si-MOSFET的區別

這里有兩個關鍵要點。

1.驅動電壓

SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅動電壓即柵極－源極間電壓Vgs越高、導通電阻越低的特性，下圖表示SiC-MOSFET的導通電阻與Vgs的關系。

圖為SiC-MOSFET的導通電阻與Vgs的關系

導通電阻從Vgs為20V左右開始變化（下降）逐漸減少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅動電壓為Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建議在Vgs=18V前后驅動，以充分獲得低導通電阻。

也就是說，兩者的區別之一是驅動電壓要比Si-MOSFET高，與Si-MOSFET進行替換時，還需要探討柵極驅動器電路。

2.內部柵極電阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的內部柵極電阻Rg依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸。如果是相同設計，則與芯片尺寸成反比，芯片越小、柵極電阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件小，因此柵極電容小，但內部柵極電阻增大。例如1200V80mΩ 產品的內部柵極電阻約為6.3Ω。

這不僅局限于SiC-MOSFET，MOSFET開關時間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值。SiC-MOSFET的內部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此要想實現高速開關，需要使外置柵極電阻盡量小，小到幾Ω左右。但是外置柵極電阻還承擔著對抗施加于柵極的浪涌的任務，因此必須注意與浪涌保護之間的良好平衡。

二、SiC-MOSFET與IGBT的區別

1.Vd-Id特性

Vd-Id特性是晶體管最基本的特性之一，下面是 25℃和150℃時的Vd-Id 特性。

25℃ 時的特性圖表

SiC及SiMOSFET的Id相對Vd（Vds）呈線性增加，但由于IGBT有上升電壓，因此，在低電流范圍，MOSFET元器件的Vds更低（對于 IGBT來說是集電極電流、集電極-發射極間電壓）。

不言而喻，Vd-Id特性也是導通電阻特性。根據歐姆定律，相對Vd-Id越低、導通電阻越小，特性曲線的斜率越陡，導通電阻越低。

IGBT的低Vd（或低 Id ）范圍（在本例中是Vd到1V左右的范圍），在IGBT中是可忽略不計的范圍。這在高電壓大電流應用中不會構成問題，但當用電設備的電力需求從低功率到高功率范圍較寬時，低功率范圍的效率并不高。

相比之下，SiC-MOSFET可在更寬的范圍內保持低導通電阻。

此外可以看到，與150℃時的Si-MOSFET特性相比，SiC、Si-MOSFET的特性曲線斜率均放緩，因而導通電阻增加。但是SiC-MOSFET在25℃時的變動很小。在25℃環境下特性相近的產品，差距變大，溫度增高時SiC-MOSFET的導通電阻變化較小。

2.關斷損耗特性

前面多次提到過，SiC功率元器件的開關特性優異，可處理大功率并高速開關。因此與IGBT開關損耗特性有所區別。眾所周知，當IGBT的開關OFF時，會流過元器件結構引起尾（tail）電流，因此開關損耗增加是IGBT的基本特性。

比較開關OFF時的波形可以看到，SiC-MOSFET原理上不流過尾電流，因此相應的開關損耗非常小。在此例中SiC-MOSFET＋SBD（肖特基勢壘二極管）的組合與IGBT＋FRD（快速恢復二極管）的關斷損耗Eoff相比，降低了88%。

還有重要的一點是，IGBT的尾電流隨溫度升高而增加，SiC-MOSFET的高速驅動需要適當調整外置的柵極電阻Rg。

3.導通損耗特性

IGBT在開關導通時，流過Ic（藍色曲線）用紅色虛線圈起來部分的電流，這多半是二極管的恢復電流帶來的，是開關導通時的一大損耗。在并聯使用SiC-SBD時，加上恢復特性的快速性，MOSFET開關導通時的損耗減少，FRD成對時的開關導通損耗與IGBT的尾電流一樣隨溫度升高而增加。 總之，關于開關損耗特性可以明確的是，SiC-MOSFET優于IGBT。

編輯：黃飛

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