碳化硅MOSFET與硅MOSFET的應用對比分析

碳化硅MOSFET具有導通電壓低、開關速度極快、驅動能力要求相對低等特點，是替代高壓硅MOSFET的理想器件之一。將額定電壓、電流相同的碳化硅MOSFET和高性能硅MOSFET應用于反激式變換器中進行對比測試，實驗結果表明，在相同的驅動條件和負載條件下，碳化硅MOSFET的開關速度明顯快于硅MOSFET；在12 V驅動電平條件下，直接采用碳化硅MOSFET替代硅MOSFET使得變換器的效率明顯提升；采用20 V柵極驅動電平，效果更加明顯。

功率半導體器件的開關速度與導通電壓的矛盾隨著耐壓的提高越來越明顯。以第3代MOSFET為例，在結溫150℃和額定電流條件下，額定電壓100 V時其導通電壓一般不高于2 V；而額定電壓1 000～1 200 V時，MOSFET導通電壓將超過30 V。雖然MOSFET在不斷地改善，但目前性能優秀的硅MOSFET的導通電壓仍不低于21 V。盡管IGBT可以有效地降低其導通電壓，但是拖尾電流帶來的開關損耗在頻率50 kHz以上的硬開關應用中將不可容忍。因此，需要一種既有高額定電壓又具有極快開關速度、同時導通電壓明顯低于硅MOSFET的理想的電力半導體器件。碳化硅MOSFET具有高耐壓、極快的開關速度、低的導通電壓。

1 200 V/24 A的碳化硅MOSFET（CREE公司的CMF10120D）的主要參數為：導通電阻249 mΩ（結溫135℃）、柵極電荷0.047 1μC、米勒電荷21.5nC；最先進的硅MOSFET（IXYS公司的IXFL32N120P）的主要參數為：導通電阻820 mΩ（結溫135℃）、柵極電荷0.36μC、米勒電荷160 nC。應用常規技術的相同 電壓和電流 的高壓MOSFET（Ｍicrosemi公司的APT24M120B2）導通電阻為1.5Ω（結溫135℃）、柵極電荷0.26μC、米勒電荷120 nC。很顯然，碳化硅MOSFET的關鍵性能上性能遠遠優于硅MOSFET。

目前，以CERR公司制造的碳化硅MOSFET水平最高，商品器件水平為單管：1 200 V/90 A/25mΩ；模塊：1 200 V/300 A/5 mΩ；2012年高壓碳化硅MOSFET半橋模塊水平為10 kV/120 A，每個單元由12個MOSFET管芯并聯和6個SiC二極管并聯而成；10 kV的碳化硅MOSFET正由電科院測試，預計將應用于智能電網領域。1 200 V耐壓的碳化硅MOSFET主要應用于替代同領域的硅MOSFET和硅IGBT，可以獲得更便捷的驅動方式和更低的導通損耗與開關損耗，有利于減小無源元件體積，進而減小整機的體積。

1碳化硅MOSFET與硅MOSFET開關特性對比測試

為了對比碳化硅MOSFET與硅MOSFET應用性能的差異，本文將碳化硅MOSFET與硅MOSFET分別應用于同一交流380 V電源供電的反激式開關電源上。測試儀器為：隔離通道示波器，型號TPS2024；電流探頭，型號TCP305A。

1.1柵漏電壓，漏源電壓波形的對比測試

圖1為碳化硅MOSFET柵極電壓波形，圖2為硅MOSFET柵極電壓波形。

圖１和圖２中，碳化硅MOSFET柵極電壓上升時間為340 ns，硅MOFET柵極電壓上升時間為3 880 ns，很顯然碳化硅MOSFET比硅MOSFET快一個數量級。不僅如此，由于米勒電荷造成的柵極電壓波形的“平臺”時間，碳化硅MOSFET不到100ns，而硅MOSFET至少要1μs。

反激式變換器中開關管損耗主要是關斷損耗，可以通過漏極—源極電壓上升時間衡量。在相同的柵極驅動條件下，碳化硅MOSFET和硅MOSFET的漏極—源極電壓波形分別如圖3和圖4所示。

圖3、圖4中，碳化硅MOSFET的電壓上升時間為92 ns，而硅MOFET的電壓上升時間為500ns，很顯然碳化硅MOSFET明顯快于硅MOSFET。

1.2 MOSFET工作損耗的對比

兩種MOSFET的工作損耗測試結果如圖5和圖6所示。由圖5、圖6看到，在柵極驅動電壓約12 V的狀態下，碳化硅MOSFET的導通電阻約為柵極電壓20 V狀態下的3倍以上，因此碳化硅MOSFET并沒有顯現優勢。由于碳化硅MOFET的開關速度明顯快于硅MOSFET，因此在關斷損耗產生明顯的 差別。碳化硅MOSFET的關斷損耗 為6.26 W，而硅MOSFET的關斷損耗則為61.0 W。

當碳化硅MOSFET的柵極驅動電壓為20 V，則結溫在室溫狀態下導通損耗會降低到圖5的１/４；在135℃高結溫狀態下碳化硅MOSFET的導通電阻也僅僅上升20%，而硅MOSFET則上升240%。

2整機效率的對比

相對于硅MOSFET，碳化硅MOSFET的高開關速度在本實驗實例中損耗明顯的降低，圖7為采用碳化硅MOSFET時整機的輸入功率，圖8為采用先進的硅MOSFET時整機的輸入功率。由圖7可見，碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的輸入功率為1.28 kW，

由圖8可見，硅ＭＯＳＦＥＴ的輸入功率為1.33 kW；兩者相差0.05 kW，為硅MOSFET的高于碳化硅MOSFET損耗部分，占總輸入功率3.8%。由此表明即使直接用碳化硅MOSFET替代硅MOSFET，也會提高近3%的效率。實驗結果如表1。

3結論

碳化硅MOSFET是一個性能優異的高壓開關器件，不僅具有良好的阻斷能力、低導通電壓，同時具備了極快的開關速度，是眾多的高壓可關斷型電力半導體器件中的佼佼者。其極快的開關速度可以用于高壓、高頻的開關功率變換領域。

由于碳化硅MOSFET柵極電荷遠低于硅MOSFET，即使是大功率碳化硅MOSFET也可以用一般的開關電源芯片直接驅動，而即使是相應電壓、電流參數的高性能硅MOSFET則需要至少5倍于驅動碳化硅MOSFET的驅動能力才能使硅MOSFET具 有 比 較 快 的 開 關 速 度。這 時 的 應 用 碳 化 硅MOSFET可以應用驅動能力一般的驅動技術?；蛘咴谙嗤尿寗訔l件下，碳化硅MOSFET具有比硅MOSFET快一個數量級的開關速度。相同的漏極電流條件下，碳化硅MOSFET的導通電壓是高性能硅MOSFET導通電壓的一半，在高結溫條件下碳化硅MOSFET導通電壓則可能為高性能硅MOSFET的1/4。如果將柵極驅動電壓提升至20 V，則效率的提高會更明顯。

本文實驗結果表明，直接將碳化硅MOSFET替代硅MOSFET，可以在20%~100%負載范圍內提高整機效率3%左右。

審核編輯：劉清