SiC-MOSFET的特征

目前SiC-MOSFET有用的范围是耐压600V以上、特别是1kV以上。关于优势，现将1kV以上的产品与当前主流的Si-IGBT来比较一下看看。

1，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。

2，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。

下图是600V～2000V耐压的功率元器件的特征汇总。

雷达图的RonA为单位面积的导通电阻（表示传导时损耗的参数），BV为元器件耐压，Err为恢复损耗，Eoff为关断开关的损耗。SiC已经很完美，在目前情况的比较中绝非高估。

功率晶体管的结构与特征比较

下图是各功率晶体管的结构、耐压、导通电阻、开关速度的比较。

1，工艺技术不同结构也不同，因而电气特征也不同。

2，DMOS是平面型的MOSFET，是常见的结构。Si的功率MOSFET，因其高耐压且可降低导通电阻，近年来超级结（Super Junction）结构的MOSFET（以下简称“SJ-MOSFET”）应用越来越广泛。

在特征方面：

1，Si-DMOS存在导通电阻方面的课题，如前所述通过采用SJ-MOSFET结构来改善导通电阻。IGBT在导通电阻和耐压方面表现优异，但存在开关速度方面的课题。

2，SiC-DMOS在耐压、导通电阻、开关速度方面表现都很优异，而且在高温条件下的工作也表现良好，可以说是具有极大优势的开关元件。

这张图是各晶体管标准化的导通电阻和耐压图表。

   理论上SiC-DMOS的耐压能力更高，可制作低导通电阻的晶体管。目

SiC-MOSFET－与Si-MOSFET的区别

与Si-MOSFET的区别：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。

    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。

与Si-MOSFET的区别：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。

与IGBT的区别：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。

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。

与IGBT的区别：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。

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。在本例中，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%。

与IGBT的区别：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。

体二极管的特性

SiC-MOSFET的体二极管的正向特性与反向恢复特性。

MOSFET（不局限于SiC-MOSFET）在漏极-源极间存在体二极管。从MOSFET的结构上讲，体二极管是由源极-漏极间的pn结形成的，也被称为“寄生二极管”或“内部二极管”。对于MOSFET来说，体二极管的性能是重要的参数之一，在应用中使用时，其性能发挥着至关重要的作用。

SiC-MOSFET体二极管的正向特性

SiC-MOSFET的Vds-Id特性。在SiC-MOSFET中，以源极为基准向漏极施加负电压，体二极管为正向偏置状态。该图中Vgs＝0V的绿色曲线基本上表示出体二极管的Vf特性，。Vgs为0V即MOSFET在关断状态下，没有通道电流，因此该条件下的Vd-Id特性可以说是体二极管的Vf-If特性。如“何谓碳化硅”中提到的，SiC的带隙更宽，Vf比Si-MOSFET大得多。

而在给栅极-源极间施加18V电压、SiC-MOSFET导通的条件下，电阻更小的通道部分（而非体二极管部分）流过的电流占支配低位。为方便从结构角度理解各种状态，下面还给出了MOSFET的截面图。

SiC-MOSFET体二极管的反向恢复特性

MOSFET体二极管的另一个重要特性是反向恢复时间（trr）。trr是二极管开关特性相关的重要参数这一点在SiC肖特基势垒二极管一文中也已说明过。不言而喻，MOSFET的体二极管是具有pn结的二极管，因而存在反向恢复现象，其特性表现为反向恢复时间（trr）。下面是1000V耐压的Si-MOSFET和SiC-MOSFET SCT2080KE的trr特性比较。

示例的Si-MOSFET的trr较慢，流过较大的Irr。而SiC-MOSFET SCT2080KE的体二极管速度则非常快。trr、Irr均为几乎可忽略的水平，恢复损耗Err已经大幅降低。

SiC-MOSFET应用实例1：移相DC/DC转换器

下面是演示机，是与功率Power Assist Technology Ltd.联合制作的。

全桥式逆变器部分使用了3种晶体管（Si IGBT、第二代SiC-MOSFET、上一章介绍的第三代沟槽结构SiC-MOSFET），组成相同尺寸的移相DCDC转换器，就是用来比较各产品效率的演示机。

首先，在SiC-MOSFET的组成中，发挥了开关性能的优势实现了Si IGBT很难实现的100kHz高频工作和功率提升。另外，第二代（2G）SiC-MOSFET中，由2个晶体管并联组成了1个开关，但由于第三代（3G）SiC-MOSFET导通电阻更低，晶体管数得以从8个减少到4个。关于效率，采用第三代（3G）SiC-MOSFET时的结果最理想，无论哪种SiC-MOSFET的效率均超过Si IGBT。

SiC-MOSFET应用实例2：脉冲电源

脉冲电源是在短时间内瞬时供电的系统，应用例有气体激光器、加速器、X射线、等离子电源等。作为现有的解决方案有晶闸管等真空管和Si开关，但市场需要更高耐压更高速的开关。针对这种市场需求，利用SiC的高耐压和高速性能，实现了超高电压高速开关。从高速性的角度看这是Si IGBT很难实现的。

・超高压脉冲电源

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・1～10kV随机脉冲发生器：13.2kV SiC开关