李　磊，寧圃奇，溫旭輝，張　棟

（1.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081；2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190；3.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（電工研究所），北京100049）

1 200 V碳化硅MOSFET與硅IGBT器件特性對(duì)比性研究

李磊1，2，3，寧圃奇1，2，3，溫旭輝1，2，3，張棟1，2，3

（1.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081；2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190；3.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（電工研究所），北京100049）

搭建了輸出特性測(cè)試電路、漏電流測(cè)試電路、雙脈沖測(cè)試電路和Buck電路，對(duì)1 200 V SiC MOSFET 和Si IGBT的輸出特性、漏電流、開關(guān)特性和器件損耗進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了SiC MOSFET的主要優(yōu)缺點(diǎn)。分析結(jié)果表明，SiC MOSFET在高溫條件下依然擁有穩(wěn)定的阻斷能力；在同樣的工作條件下，SiC MOSFET損耗更小，適合在高頻率、大功率場(chǎng)合下使用；SiC MOSFET的跨導(dǎo)低，導(dǎo)通電阻大，所以門極驅(qū)動(dòng)電壓需要比較大的擺幅（-5/+20 V）；由于開關(guān)速度很快，SiC MOSFET對(duì)線路雜散參數(shù)更加敏感。

碳化硅；輸出特性；漏電流；雙脈沖測(cè)試；Buck電路

引言

硅（Si）電力電子器件的性能逐漸接近材料理論極限。目前，商業(yè)化的Si IGBT最高耐壓為6.5 kV［1］。由于關(guān)斷時(shí)的拖尾電流會(huì)造成比較大的損耗，采用Si IGBT的大功率電力電子變流器在硬開關(guān)的條件下，最高開關(guān)頻率僅為幾kHz。因此，在大多數(shù)的中等電壓等級(jí)（6.5～10 kV）應(yīng)用中，變流器為了實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，常常采用較低電壓等級(jí)（1.7～3.3 kV）的器件結(jié)合復(fù)雜的多電平控制策略。這使得大功率、高頻率的電力電子變流器體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

近年來(lái)，以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，為器件性能的大幅度提高提供了可能。與Si芯片相比，SiC芯片損耗小、耐高溫、并能高頻運(yùn)行。損耗小，使得SiC芯片單位面積負(fù)荷能力增強(qiáng)，同等功率的模塊所需芯片面積大大減小，能有效減少功率模塊的體積和重量［2］；現(xiàn)有Si芯片的常規(guī)運(yùn)行溫度是125℃，而SiC芯片能夠穩(wěn)定運(yùn)行在200℃以上，所制造功率模塊的耐熱能力提高一倍，可以減小冷卻系統(tǒng)的體積和重量［3］；受Si芯片運(yùn)行特性限制，采用Si芯片的變流器工作頻率最高為10 kHz，而采用SiC芯片的變流器最高運(yùn)行頻率可達(dá)100 kHz［4］，更高的開關(guān)頻率可以減小變流器運(yùn)行過(guò)程中所需要的能量存儲(chǔ)，從而降低儲(chǔ)能單元的體積和重量。SiC被認(rèn)為是目前適合大功率和高溫工程及高壓器件應(yīng)用的綜合性能最好、商品化程度最高、最成熟的材料。

為全面分析SiC MOSFET相對(duì)于Si IGBT的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì) 1.2 kV SiC MOSFET和 Si IGBT IKW40N 120T2（IKW）進(jìn)行研究。選取的研究對(duì)象為 To-247封裝的 Cree公司 1.2 kV/40 A SiC MOSFET C2M0040120D（C2M）和Infineon公司1.2 kV/40 A Si IGBT IKW40N120T2（IKW），如圖1所示，器件的具體參數(shù)如表1所示。

1　SiC　MOSFET的輸出特性

圖2所示為SiC MOSFET在雙脈沖測(cè)試電路的基礎(chǔ)上修改電路參數(shù)得到的輸出特性測(cè)試電路，其電路參數(shù)如表2所示。

圖1　TO-247封裝的器件示意Fig.1 Schematic of TO-247 packaged devices

表1　器件的具體參數(shù)Tab.1 Specifications of devices

輸出特性測(cè)試電路采用空心電感負(fù)載進(jìn)行單脈沖測(cè)試，只需很短的時(shí)間就可得到某一門極電壓下的輸出特性。在測(cè)試之前，器件在加熱臺(tái)上加熱1 h，以保證器件的結(jié)溫達(dá)到設(shè)定值。器件結(jié)溫為75℃、125℃、150℃的輸出特性曲線如圖3所示。

從圖3可以看到，對(duì)于SiC MOSFET，其輸出特性曲線可調(diào)電阻區(qū)和飽和區(qū)的界限并不明顯，這是因?yàn)镾iC MOSFET的跨導(dǎo)比較低，即使在飽和區(qū)，輸出特性也不是一條平直的線；隨著電流上升，SiC MOSFET的導(dǎo)通壓降逐漸上升。

圖2　輸出特性測(cè)試電路原理Fig.2 Schematic of output characteristics test circuit

表2　輸出特性測(cè)試電路基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of output characteristics test circuit

圖3　不同結(jié)溫下SiC MOSFET（vgs=20 V）和Si IGBT （vgs=15 V）的輸出特性Fig.3 Output characteristics of SiC MOSFET（vgs=20 V）and Si IGBT（vgs=15 V）at different junction temperatures

隨著結(jié)溫升高，SiC MOSFET的導(dǎo)通壓降逐漸上升，但電流在36 A以下時(shí)，其導(dǎo)通壓降依然小于Si IGBT的導(dǎo)通壓降。這說(shuō)明，在寬溫度范圍（150℃以下）、寬電流范圍（36 A以下）內(nèi)，SiC MOSFET的導(dǎo)通壓降小于Si IGBT的導(dǎo)通壓降，亦即導(dǎo)通損耗更小。

SiC MOSFET和Si IGBT在不同門極電壓、不同結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻如圖4所示。從圖4可以看到，在相同結(jié)溫、相同門極驅(qū)動(dòng)電壓下，SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻大于Si IGBT的導(dǎo)通電阻，但隨著門極驅(qū)動(dòng)電壓的升高，SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻逐漸降低；結(jié)溫為75℃、125℃和150℃時(shí)，SiC MOSFET在20 V門極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)的導(dǎo)通電阻相比于12 V時(shí)的導(dǎo)通電阻分別下降了8.5%、14.2%和22.4%。

SiC MOSFET的跨導(dǎo)低、導(dǎo)通電阻大，所以門極驅(qū)動(dòng)電壓需要較大的擺幅，一般為-5 V/+20 V。

圖4　在不同門極電壓、不同結(jié)溫下SiC MOSFET和Si IGBT的導(dǎo)通電阻（iD，ic=40 A）Fig.4 On-state resistance of SiC MOSFET and Si IGBT at different driving voltages and different junction temperatures（iD，ic=40 A）

2SiC　MOSFET的漏電流

漏電流測(cè)試電路如圖5所示，圖中VDC為直流電源，電壓為1 200 V；RG1、RG2分別為SiC MOSFET和Si IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電阻，阻值均為10 Ω；RL1、RL2為電流采樣電阻，阻值分別為1 MΩ、1 kΩ。

圖5實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被測(cè)器件保持關(guān)斷，不同結(jié)溫下的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明：SiC MOSFET在結(jié)溫為0～175℃時(shí)的漏電流均低于10 μA，表現(xiàn)出了極為穩(wěn)定的阻斷能力；Si IGBT在結(jié)溫125℃以下時(shí)，漏電流隨結(jié)溫變化很小，而在125℃以上時(shí)漏電流隨結(jié)溫上升而急劇上升。

圖5　漏電流測(cè)試電路Fig.5 Test circuits of leakage current

IGBT的集電極漏電流包含產(chǎn)生電流和擴(kuò)散電流兩部分［5］，集電極漏電流密度可表示為

式中：q為電子單位電荷量；ni為本征載流子濃度；Dp為空穴的擴(kuò)散系數(shù)；τp為空穴的壽命；ND為雜質(zhì)濃度；τsc為空間電荷區(qū)額外載流子的產(chǎn)生壽命；W為空間電荷區(qū)的寬度。式（1）邊第1項(xiàng)表示擴(kuò)散電流分量，第2項(xiàng)表示產(chǎn)生電流分量。ni與結(jié)溫的關(guān)系［6］可以表示為

式中：Eg（0）為載流子在絕對(duì)零度時(shí)所具有的能量，Eg（0）=1.206 eV，k為波爾茲曼常數(shù)。從式（2）可以看出，ni隨結(jié)溫升高而呈指數(shù)上升。將式（2）代入式（1），當(dāng)結(jié)溫上升時(shí)，IGBT集電極漏電流密度的兩個(gè)分量均急劇增大，擴(kuò)散電流分量變化更為劇烈。結(jié)溫比較低時(shí)，集電極漏電流主要取決于外加的阻斷電壓，即取決于W，集電極漏電流以產(chǎn)生電流為主；結(jié)溫升高到一定程度時(shí)，擴(kuò)散電流急劇上升，集電極漏電流開始以擴(kuò)散電流為主；轉(zhuǎn)折點(diǎn)結(jié)溫約為125℃，這就是結(jié)溫在125℃以上時(shí)IGBT漏電流隨結(jié)溫上升而急劇上升的原因。

對(duì)于SiC MOSFET，由于SiC材料本身的寬禁帶特性，在很高的結(jié)溫范圍內(nèi)，其漏電流的主要分量均為產(chǎn)生電流。所以，隨著結(jié)溫升高，SiC MOSFET的漏電流變化很小。SiC MOSFET穩(wěn)定的阻斷能力使其更適合在高溫條件下工作。

圖6　不同結(jié)溫下SiC MOSFET和Si IGBT的漏電流（VDC=1 200 V）Fig.6 Leakage currents of SiC MOSFET and Si IGBT at different junction temperatures（VDC=1 200 V）

3　SiC　MOSFET的開關(guān)特性

研究器件的開關(guān)特性對(duì)確定變流器的工作頻率和死區(qū)時(shí)間。估算器件損耗和變流器效率具有至關(guān)重要的作用。開關(guān)特性主要通過(guò)雙脈沖電路進(jìn)行測(cè)試。雙脈沖測(cè)試電路的原理圖與輸出特性測(cè)試電路相同，門極驅(qū)動(dòng)電阻如表1所示，其他參數(shù)如表3所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同結(jié)溫下的開關(guān)特性，SiC MOSFET和Si IGBT在結(jié)溫125℃的開關(guān)波形如圖7所示。

表3　雙脈沖測(cè)試電路基本參數(shù)Tab.3 Parameters of double pulse test circuit

由圖可見，與Si IGBT的開關(guān)波形相比，SiC MOSFET的開通、關(guān)斷時(shí)門極電壓沒(méi)有明顯的米勒平臺(tái)；關(guān)斷時(shí)沒(méi)有拖尾電流；波形振蕩嚴(yán)重。開通、關(guān)斷時(shí)門極電壓沒(méi)有明顯的米勒平臺(tái)是因?yàn)镾iC MOSFET的跨導(dǎo)比較低，輸出特性飽和區(qū)對(duì)應(yīng)的源漏極電壓比較大，且并不是一條平直的線，故隨著漏源極電壓和漏極電流的變化，門極電壓也將發(fā)生變化；關(guān)斷時(shí)沒(méi)有拖尾電流則是因?yàn)镸OSFET為多子導(dǎo)電的器件，沒(méi)有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)；門極電壓波形振蕩是因?yàn)镾iC MOSFET的開關(guān)速度很快，源漏極電壓變化率很大，米勒電容快速地充放電并產(chǎn)生較大的充放電電流。當(dāng)米勒電容充電時(shí)（關(guān)斷過(guò)程），門極和源極之間的電容吸收電流，門極電壓上升；當(dāng)米勒電容放電時(shí)（開通過(guò)程），門極和源極之間的電容提供電流，門極電壓下降；在米勒電容和驅(qū)動(dòng)電壓的雙重作用下，門極電壓產(chǎn)生較嚴(yán)重的振蕩。為抑制門極電壓振蕩，可以在門極和源極之間放置一個(gè)小電容（1 nF左右），為米勒電容的充放電提供低阻抗的路徑；在驅(qū)動(dòng)回路上靠近門極的位置放置一個(gè)磁珠，抑制驅(qū)動(dòng)回路中電流的變化。

圖7　SiC MOSFET和Si IGBT開關(guān)波形（Tj=125℃，VCE，VDS=600 V iC，iD=40 A）Fig.7 Switching characteristics of SiC MOSFET and Si IGBT（Tj=125℃，VCE，VDS=600 V iC，iD=40 A）

由于SiC MOSFET開關(guān)速度很快且關(guān)斷時(shí)沒(méi)有拖尾電流，源漏極電壓變化率和漏極電流變化率較大，這使得SiC MOSFET的開關(guān)特性對(duì)電路的雜散電感非常敏感，源漏極電壓和漏極電流的開關(guān)波形出現(xiàn)較為明顯的振蕩。

電路板的布局會(huì)影響電路板雜散參數(shù)的大小，從而對(duì)SiC MOSFET的開關(guān)波形產(chǎn)生影響。圖8所示為實(shí)驗(yàn)用雙脈沖電路測(cè)試板。測(cè)試板上高低壓部分分離布線，驅(qū)動(dòng)板位于低壓電路一側(cè)，且靠近于被測(cè)器件。為抑制干擾，Vgs采用BNC接頭進(jìn)行測(cè)試；iD通過(guò)測(cè)量采樣電阻兩端的電壓得到，采樣電阻為5個(gè)0.5 Ω電阻并聯(lián)，總電阻0.1 Ω （0.1 V/A），電阻兩端的電壓通過(guò)BNC接頭測(cè)量；VDS采用高壓差分探頭測(cè)量，為盡量抑制雜散電感對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在被測(cè)器件源極和漏極分別焊接一根排針，高壓差分探頭直接插在排針上。

圖8　雙脈沖電路測(cè)試板Fig.8 Test board of double pulse circuit

圖9所示為SiC MOSFET和Si IGBT開關(guān)損耗隨結(jié)溫的變化情況，圖中，Eon為開通損耗，Eoff為關(guān)斷損耗，Etotal為總損耗。在相同的結(jié)溫下，SiC MOSFET的開關(guān)損耗僅為Si IGBT的1/3；隨著結(jié)溫升高，Si IGBT的開關(guān)損耗均逐漸增大，而SiC MOSFET的開通損耗增大，關(guān)斷損耗降低，總的開關(guān)損耗在高溫情況下變化不大。所以，在相同的工作條件（開關(guān)頻率、占空比、散熱功率等）下，SiC MOSFET相對(duì)于Si IGBT的損耗更低，結(jié)溫更低；換言之，在相同的結(jié)溫限制下，SiC MOSFET的開關(guān)頻率可以更高。

圖10所示為SiC MOSFET和Si IGBT開關(guān)時(shí)間隨結(jié)溫的變化情況。在相同結(jié)溫下，SiC MOSFET的開關(guān)時(shí)間約為Si IGBT的1/3。以結(jié)溫125℃為例，SiC MOSFET的開通延遲時(shí)間（tdon）、上升時(shí)間（tr）、關(guān)斷延遲時(shí)間（tdoff）、下降時(shí)間（tf）分別為 32、52、47、58 ns；Si IGBT的開通延遲時(shí)間（tdon）、上升時(shí)間（tr）、關(guān)斷延遲時(shí)間（tdoff）、下降時(shí)間（tf）分別為90、130、452、176 ns；所以SiC MOSFET的總開關(guān)時(shí)間為189 ns，而Si IGBT的總開關(guān)時(shí)間為848 ns。

考慮采用2個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成的橋臂，假設(shè)死區(qū)時(shí)間為50 ns。如果采用SiC MOSFET，最小周期為

478 ns，最高開關(guān)頻率（不考慮其他因素，如散熱、無(wú)源器件等）為2.09 MHz；如果采用Si IGBT，最小周期為1 796 ns，最大開關(guān)頻率為556 kHz。因此，SiC MOSFET更適合高頻率場(chǎng)合下使用。

圖9　SiC MOSFET和Si IGBT在不同結(jié)溫下的開關(guān)損耗Fig.9 Switding losses of SiC MOSFET and Si IGBT at different junction temperatures

圖10　SiC MOSFET和Si IGBT在不同結(jié)溫下的開關(guān)時(shí)間Fig.10 Switching time of SiC MOSFET and Si IGBT at different junction temperatures

4　SiC　MOSFET的工作性能

為測(cè)試SiC MOSFET的工作性能，分別搭建了基于SiC MOSFET和Si IGBT的Buck電路。電路參數(shù)如表4所示。

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了輸入電壓為70、100、140 V、 Buck電路工作10 min之后開關(guān)器件的殼溫，測(cè)試結(jié)果如表5所示。在相同的工作條件下，SiC MOSFET的殼溫顯著低于Si IGBT的殼溫，這說(shuō)明SiC MOSFET的損耗更??；在相同的散熱條件下，SiC MOSFET的開關(guān)頻率可以更高。

圖11所示為輸入電壓為140 V時(shí)Buck電路的運(yùn)行波形。SiC MOSFET工作過(guò)程中的振蕩明顯大于Si IGBT。這也再次證明，SiC MOSFET的開關(guān)特性對(duì)線路板雜散參數(shù)更加敏感。

5　結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于Si IGBT，SiC MOSFET有以下優(yōu)點(diǎn)：高溫條件下依然擁有穩(wěn)定的阻斷能力；開關(guān)時(shí)間短、開關(guān)損耗小，且隨著結(jié)溫升高其開關(guān)損耗不會(huì)明顯增大。這些優(yōu)點(diǎn)使其更適合在高頻率、大功率的場(chǎng)合下使用。但其也存在以下缺點(diǎn)：導(dǎo)通壓降較大，跨導(dǎo)較小，開關(guān)過(guò)程中門極電壓、漏源極電壓、漏極電流波形均有比較大的振蕩。因此，為充分發(fā)揮SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)，在驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：門極驅(qū)動(dòng)電壓的擺幅大，一般為-5 V/ +20 V；在門極和源極之間放置一個(gè)小電容（1 nF左右）為米勒電容的充放電提供低阻抗的路徑；在驅(qū)動(dòng)回路上靠近門極的位置放置一個(gè)磁珠，抑制門極驅(qū)動(dòng)電壓的振蕩；合理設(shè)計(jì)電路板，盡量減小線路的雜散參數(shù)。

表4　Buck電路基本參數(shù)Tab.4 Parameters of Buck circuit

圖11　Buck電路輸出功率為400 W時(shí)的運(yùn)行波形Fig.11 Buck converter operation curves at 400 W output

表5　Buck電路運(yùn)行中開關(guān)器件的結(jié)溫Tab.5 Junction temperatures of switching devices in Buck circuit working

［1］Callanan R J，Agarwal A，Burk A，et al.Recent progress in SiC DMOSFETs and JBS diodes at Cree［C］. Proceedings of IEEE Industrial Electronics Society conference，Or lando，F(xiàn)lorida，USA，2008：2885-2890.

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Comparative Performance Study of 1 200 V SiC MOSFET and Si IGBT

LI Lei1，2，3，NING Puqi1，2，3，WEN Xuhui1，2，3，ZHANG Dong1，2，3
（1.Beijing Collaborative Innovation Center for Electric Vehicles，Beijing 100081，China；2.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；3.Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive，Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

The output characteristic test circuit，leakage current test circuit，double pulse test circuit and Buck converter are set up to study the performance of 1 200 V SiC MOSFET and 1 200 V Si IGBT comparatively.The advantages and disadvantages of SiC MOSFET are analyzed.The analyzed result shows that SiC MOSFET has stable blocking capability at high junction temperature.With its inherently low switching loss，SiC MOSFET is suitable for the high power and high frequency applications.However，considering the modest transconductance and high on-state resistance，SiC MOSFET need to be driven with a higher gate voltage swing（-5～+20 V）.SiC MOSFET is sensitive to the parasitic parameters because of fast switching speed.

silicon carbide；output characterization；leakage current；double pulse test；Buck converter

李磊

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.32

TN 386

A

2016-04-29 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51507166）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（863）（2015AA034501） Project Supported by the National Natural Science Foundation of China for Distinguished Young Scholars（51507166）；the National High Technology Research and Development Program of China（2015AA034501）

李磊（1992-），男，博士研究生，從事功率器件特性測(cè)試及可靠性研究，E-mail：lilei@mail.iee.ac.cn。

寧圃奇（1982-），男，通信作者，博士，研究員，從事功率器件特性建模及模塊封裝技術(shù)研究，E-mail：npq@mail.iee.ac.cn。

溫旭輝（1963-），女，博士，研究員，從事高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制等技術(shù)研究，E-mail：wxh@mail.iee.ac.cn。

張棟（1984-），男，博士研究生，從事電力電子裝置電磁干擾機(jī)理及抑制技術(shù)研究，E-mail：zhangdong@mail.iee.ac.cn。