碳化硅MOS、超結MOS與IGBT性能比較

整個電力半導體器件中變化最大的就是功率MOSFET，其中，硅基器件中SJ MOSFET器件和IGBT器件在結構和工藝技術得到了較深的發展。SJ（超結）MOSFET采用基于電荷平衡的器件結構，導通電阻明顯下降，在高壓應用時優勢尤其突出。但是，以寬禁帶半導體（碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN））形式出現的新材料技術正在提供可改善電路設計人員選擇的選擇，特性更接近理想的開關。 ?

半導體材料發展路徑（數據來源：浙商證券研究所? ） ? 工程師在性能、成本、操作、尺寸、熱效率和可用性之間進行設計抉擇時需要權衡取舍。 ?

一.? 碳化硅MOS器件

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統的硅材料（Si），碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發光電子元器件，下游應用領域包括智能電網、新能源汽車、光伏風電、5G 通信等，在功率器件領域，碳化硅二極管、MOSFET已經開始商業化應用。 ?

碳化硅從材料到半導體功率器件會經歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設計、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經外延生長得到外延片。外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓，將晶圓切割成die，經過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。 ?

不同半導體材料性能對比 ?

二.?? 超結(SJ)MOS器件

Si-MOSFET根據制造工藝可分為平面柵極MOSFET和超結MOSFET。平面柵極MOSFET在提高額定電壓時，漂移層會變厚，導致導通電阻增加的問題。而超結MOSFET通過在D端和S端排列多個垂直pn結的結構來解決這個問題，實現了在保持高電壓的同時降低導通電阻。

超結MOSFET的優勢在于其具有高耐壓和低電阻的特點。相較于普通高壓VDMOS，超結MOSFET的導通電阻遠小，適用于高能效和高功率密度的快速開關應用。此外，超結MOSFET的額定電壓越高，導通電阻的下降越明顯，使其在中低功率水平下的高速運行非常適合。

超結MOSFET的制造工藝相較于常規MOSFET更加復雜，主要體現在溝槽的填充外延制造方法上。超級結MOSFET通過使溝槽和溝槽間距盡可能小和深，設計具有較低電阻的N層，實現了低導通電阻產品。

【超級結中，trr比平面MOSFET快，irr電流更大】

超結MOSFET相較于平面MOSFET具有更大的pn結面積，因此在內部二極管的反向電流和反向恢復時間方面存在一些問題。雖然超結MOSFET的trr比平面MOSFET快，但irr電流更大。以下是Si-MOSFET的常規制造工藝和超結制造工藝的對比：

【常規MOS制造工藝】

【超級結的溝槽填充外延制造方法】

此外，Si-MOSFET還與其他器件進行了功率和頻率的比較，如IGBT、碳化硅MOS、平面/超結MOS等。

【IGBT、碳化硅MOS、平面/超結MOS的功率和頻率比較】

以下是SJ-MOSFET的一些關鍵特點和優勢：

高耐壓：SJ-MOSFET具有高額定電壓，能夠在高壓環境下穩定工作。

低導通電阻：SJ-MOSFET的導通電阻遠小于傳統平面MOSFET，能夠提供更高的效率和功率密度。

高速開關：SJ-MOSFET的超級結結構使其具有快速開關特性，適用于高頻率應用。

可靠性：SJ-MOSFET的產品質量可靠，性能穩定，適用于各種嚴苛的工作環境。

三.? IGBT器件

IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由（BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應管（MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有（MOSFET）金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（GTR）的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；（因為Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN結材料和厚度有關））MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。（因為MOS管有Rds，如果Ids比較大，就會導致Vds很大）

IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT最主要的作用就是把高壓直流變為交流，以及變頻（所以用在電動車上比較多）。

IGBT有N溝道型和P溝道型兩種，主流的N溝道IGBT的電路圖符號及其等效電路如下：

所以整個過程就很簡單：

當柵極G為高電平時，NMOS導通，所以PNP的CE也導通，電流從CE流過。

當柵極G為低電平時，NMOS截止，所以PNP的CE截止，沒有電流流過。

IGBT與MOSFET不同，內部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當的快恢復二極管。

IGBT的優缺點

優點：

1、具有更高的電壓和電流處理能力。

2、極高的輸入阻抗。

3、可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

4、電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

5、柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求

6、通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關閉它。

7、具有非常低的導通電阻。

8、具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。10、具有比 BJT 更高的開關速度。

11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。

12、雙極性質，增強了傳導性。

13、安全可靠。

缺點：

1、開關速度低于 MOS管。

2、因為是單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

3、不能阻擋更高的反向電壓。

4、比 BJT 和 MOS管價格更高。

5、類似于晶閘管的P-N-P-N結構，因此它存在鎖存問題

IGBT的主要參數：

1、集電極-發射極額定電壓UCES是IGBT在截止狀態下集電極與發射極之間能夠承受的最大電壓，一般UCES小于或等于器件的雪崩擊穿電壓。

2、柵極-發射極額定電壓UGE是IGBT柵極與發射極之間允許施加的最大電壓，通常為20V。柵極的電壓信號控制IGBT的導通和關斷，其電壓不可超過UGE。

3、集電極額定電流IC是IGBT在飽和導通狀態下，允許持續通過的最大電流。

4、集電極-發射極飽和電壓UCE是IGBT在飽和導通狀態下，集電極與發射極之間的電壓降。該值越小，則管子的功率損耗越小。

5、開關頻率在IGBT的使用說明書中，開關頻率是以開通時間tON、下降時間t1和關斷時間tOFF給出的，根據這些參數可估算出IGBT的開關頻率，一般可達30～40kHz。在變頻器中，實際使用的載波頻率大多在15kHz以下。

IGBT如何選型：

1、IGBT額定電壓的選擇三相380V輸入電壓經過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關工作的條件下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據IGBT規格的電壓等級，選擇1200V電壓等級的IGBT。

2、IGBT額定電流的選擇以30kW變頻器為例，負載電流約為79A，由于負載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鐘的時間內，承受1.5倍的過流，擇最大負載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。

3、IGBT開關參數的選擇變頻器的開關頻率一般小于10kHZ，而在實際工作的過程中，IGBT的通態損耗所占比重比較大，建議選擇低通態型IGBT。

四.? SiC MOSFET與Si SJ-MOSFET對比

1.1靜態特性

表1：Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件參數

上表為Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件的靜態參數，可以看出SJ-MOSFET VGS（柵壓）大于VTH（閾值電壓）后電流迅速上升，且呈現負溫系數。而對于SiC MOSFET 在VGS超過VTH后，上升速度緩慢，說明器件Gf（跨導）較小，且VGS小于10V呈現正溫特性。同時在VGS高達20V時（參考輸出特型曲線），也沒有進入飽和狀態，正是由于以上特性，要求SiC MOSFET的開通驅動電壓高于SJ-MOSFET，以使得SiC MOSFET工作在負溫區。可以看出溫度對SiC ?MOSFET輸出電流特性的影響小于SJ-MOSFET。

圖1：Si SJ-MOSFET(圖左)與SiC MOSFET（圖右）傳遞特性曲線

如下圖所示為SJ-MOSFET與SiC MOSFET的輸出特性曲線，當VGS超過8V后，SJ-MOSFET已經充分導通，其IDS-VDS的特性曲線幾乎重疊。而SiC MOSFET在不同VGS下的IDS-VDS曲線相距較遠，且飽和區與線性區的拐點沒有Si器件明顯。同時SiC ?MOSFET的曲線的斜率在VGS大于15V后變化才會較小，才能獲得低導通電阻，以上特征都與其傳遞特性相吻合。

圖2：Si SJ-MOSFET（圖左）與SiC MOSFET（圖右）輸出特性曲線

此外如圖 3所示，SiC MOSFET 的RDS(ON)（導通電阻）曲線呈現U形，而SJ-MOSFET的RDS(ON)隨著Tj（結溫）的升高而升高，這是由于SJ-MOSET的JFET（Junction Field Effect Transistor）區與漂移區電阻起主導作用，同時從圖可以看出SiC MOSFET在高溫下依然保持較低的導通損耗，而在使用SJ-MOSFET需要特別關注RDS(ON)上升對散熱的要求。

Si SJ-MOSFET(圖左)與SiC MOSFET（圖右）RDS(ON)-TJ特性曲線

1.2 動態特性對比

Si SJ-MOSFET和 SiC MOSFET動態參數由于器件開關測試條件不同，因此通過觀察SiC MOSFET 與SJ-MOSFET ?C-V曲線，對器件的開關參數進行初步判斷。如上表可以看到SiC MOSFET的Ciss（輸入電容）明顯小于SJ-MOSFET，可以進一步推測SiC的關斷延時會明顯小。同時值得注意的是Si SJ-MOSFET的Crss（米勒電容）在低壓（小于300V）時相對較小。

圖4：Si SJ-MOSFET(圖左))與SiC MOSFET （圖右）C-V特性曲線

圖 5顯示SiC MOSFET與SJ-MOSFET的柵電荷Qg，從圖中可以看出SiC MOSFET的Qg明顯小于SJ-MOSFET，這表明SiC MOSFET的驅動能量明顯更小，同時可以看到SiC MOSFET的米勒平臺（圖中紅色標注地方）更小，而SJ-MOSFET有明顯的米勒平臺，因此SiC MOSFET更適用于高頻率的開關。

圖5：Si SJ-MOSFET（圖左）與SiC MOSFET（圖右）Qg特性曲線

五、SiC MOSFET與Si IGBT的參數對比 由于SiC材料的特性，1200V、1700V 電壓等級的SiC MOSFET可以與硅基同等電壓的IGBT相比較，為了更好地體現SiC與Si IGBT器件之間的特性區別，選取常用的1200V25A等級的SiC MOSFET與Si IGBT，利用其數據手冊中提供的數據進行對比。 2.1靜態特性

表3：為SiC MOSFET和Si IGBT器件靜態參數

圖 6為選取IKW25T120與C2M0080120D進行參數對比，可以看出SiC MOSFET和Si IGBT的傳遞特性形態基本相似，當VGS小于VTH時是正溫系數，當VGS較高時呈現負溫系數。

圖6：Si IGBT(圖左)與 SiC MOSFET（圖右）轉移特性曲線

圖 7為器件的輸出特性曲線，SiC MOSFET的ID-VDS曲線是從零點開始，是由于其電阻特性，而Si IGBT是在VCE大于VCEsat(飽和壓降)后才有電流輸出，這是因為IGBT其內部寄生BJT（Bipolar junction Transistor）負責導通。因此在小電流下IGBT的導通壓降更大，SiC MOSFET導通損耗更小。在大電流下IGBT能夠在較小的導通壓降下流通更大的電流，所以IGBT的跨導更大。

圖7：Si IGBT（圖左）與SiC MOSFET（圖右）輸出特性曲線

2.2動態特性表4為SiC MOSFET和Si IGBT器件動態參數，圖8所示為選取IKW25T120與C2M0080120D的C-V曲線，從表格可以看出SiC MOSFET 的Crss（米勒電容）明顯小于Si IGBT。對比發現由于Si IGBT有較大的Ciss，會導致器件的開通時間與關斷拖尾時間較長，則其開關能量就會明顯大于SiC MOSFET。但同時需要注意的是SiC MOSFET的快速開關，也會導致開通過程中較大的VDS與IDS尖峰。但值得注意是，不同廠家對不同應用進行器件最優匹配時，會對參數采取不同的規格設計（也受限于結構、工藝等多種因素）。

表4 ：SiC MOSFET和Si IGBT器件動態參數

圖8：Si IGBT（圖左）與SiC MOSFET（圖右）C-V特性曲線 Si IGBT和SiC MOSFET的柵電荷Qg如圖9所示，SiC MOSFET的Qg明顯小于IGBT，這說明SiC MOSFET更適用于高頻率。

圖9：Si IGBT（圖左）與SiC MOSFET（圖右）Qg特性曲線

以上都是通過DateSheet數據分析，但是對于器件性能的評估，還需要結合實際應用中器件靜態特性、開關性能、溫度行為和損耗分布等方面的綜合比較。引用相關文獻中三種器件（SiC MOSFET與Si IGBT與Si SJ-MOSFET）的關斷測試波形，如圖 10、圖 11所示。在相同半橋測試條件下，SiC MOSFET比其他器件更快，SiC器件可以顯著減小開關電路的開關損耗，提高效率。因此，SiC功率器件很適合于高頻高壓場合。同時需要注意的是，碳化硅設備的柵極驅動電壓是不同的。