張斌鋒，許津銘，錢　強，張　曌，謝少軍

（南京航空航天大學自動化學院，南京211106）

SiC MOSFET特性及其應用的關鍵技術分析

張斌鋒，許津銘，錢強，張曌，謝少軍

（南京航空航天大學自動化學院，南京211106）

SiC MOSFET（silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）以其優(yōu)越的特性受到國內(nèi)外學者的廣泛關注，采用SiC器件的變換器能夠采用高的開關頻率、適應高溫工作，實現(xiàn)高的功率密度，在一些應用場合能夠代替Si基高頻開關器件而顯著提高電能變換裝置的性能。然而，SiC器件與Si器件存在較大的差異，在實際應用中直接替換使用會存在諸多的問題，例如提高工作頻率后產(chǎn)生的橋臂串擾、電磁干擾EMI（electromagnetic interference）等問題。目前已有大量關于SiC MOSFET應用研究的文獻，但大部分都是針對SiC MOSFET應用中個別問題的研究，尚缺少對SiC MOSFET應用研究成果的系統(tǒng)性歸納與總結的文獻。首先基于對SiC MOSFET與Si MOSFET/IGBT（insulated gate bipolar transistor）的靜態(tài)、動態(tài)特性的對比，總結出SiC MOSFET在實際應用中需要關注的重點特性；然后從SiC MOSFET建模、驅(qū)動電路設計、EMI抑制以及拓撲與控制方式的選擇等方面對已有的研究成果進行歸納與評述；最后指出了SiC MOSFET在應用中所需要研究解決的關鍵問題。

SiC MOSFET；器件建模；驅(qū)動電路；EMI抑制

引言

硅基MOSFET（metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor）和IGBT（insulated gate bipolar tran sistor）等高頻功率半導體器件由于其應用技術成熟，目前已廣泛用于各種領域。然而，隨著功率半導體器件使用場合日益豐富，對性能要求的不斷提升（高效率、高功率密度）以及工作環(huán)境更加惡劣（低溫或者高溫），硅器件的使用受到其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統(tǒng)硅基功率器件的設計瓶頸，國內(nèi)外學者尋找到以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體材料去替代傳統(tǒng)的硅材料，這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點，特別適合制作大功率、高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件［1］。

近幾年來，基于寬禁帶半導體材料的功率器件制造技術的發(fā)展突飛猛進，許多半導體公司都推出了一系列的商業(yè)化碳化硅、氮化鎵功率器件。以SiC MOSFET為例，現(xiàn)有的單片商業(yè)化器件的耐壓范圍達到650～1 700 V，電流等級達到6～60 A（殼溫Tc=100°C時），而SiC模塊的耐壓等級已達到了幾十kV，基本能滿足大部分應用場合的需求。CREE公司在2016年APEC（applied power electronics conference and exposition）會議上介紹的一款新推出的SiC MOSFET器件，與英飛凌較新的電壓等級為650 V、型號為IPZ65R019C7的CoolMOS產(chǎn)品相比，其在150°C結溫時的導通電阻只有該Si器件的30%［2］。SiC MOSFET作為一種具有優(yōu)異特性的功率器件，應用在并網(wǎng)逆變器［3-5］、雙有源橋雙向直流變換器［6，7］、電動汽車充電器［8，9］、三相電機驅(qū)動器［10，11］、固態(tài)斷路器［12］等領域可以極大地提高工作頻率，減小無源元件體積，同時減小損耗和散熱器體積，提高變換器的功率密度。然而，由于其特性與傳統(tǒng)的Si基器件大不相同，簡單的用SiC器件去替代傳統(tǒng)器件時會存在以下4個方面的問題：

（1）SiC MOSFET雖然在結構上與Si MOSFET類似，但是特性存在差異，例如溫度對兩者導通電阻特性的影響大不相同。因此，在對其建模的過程中，不能沿用以往對Si器件建模的經(jīng)驗公式。

（2）SiC MOSFET開關速度快，開關損耗小，適合于高頻場合，但是存在柵極閾值電壓小、耐負壓能力弱、柵極寄生內(nèi)阻大的缺點。因此，為了適應SiC器件的高頻應用場合，配套的驅(qū)動電路需要具備驅(qū)動電壓快速建立能力和過流保護能力，尤其是驅(qū)動電壓的建立速度，建立過慢會限制SiC MOSFET的開關速度。此外，高頻驅(qū)動的橋臂電路會產(chǎn)生嚴重的橋臂串擾問題，驅(qū)動電路必須具備一定的無源或有源串擾抑制能力。

（3）SiC器件的高頻應用帶來了嚴重的EMI問題。高頻驅(qū)動的開關器件是變換器主要的高頻噪聲來源，開關器件通過絕緣片、散熱器與接地端之間形成的容性回路，產(chǎn)生電磁干擾EMI（electromagentic interference）噪聲，影響其正常的工作狀態(tài)。建立EMI傳導回路是分析并解決該問題的一種思路。此外，高頻軟開關技術也是間接解決EMI的一項重要手段，同時也減小了占高頻SiC MOSFET變換器損耗相當比重的開關損耗，有助于功率密度的進一步提升。

（4）由于SiC MOSFET的工作狀態(tài)同變換器拓撲與控制方式也存在密切相關性。SiC的應用必然要結合實際拓撲與控制方案，以充分發(fā)揮SiC MOSFET的耐高壓、導通及開關損耗小的優(yōu)勢，同時規(guī)避其體二極管導通壓降大的缺點。

為認識SiC MOSFET在實際應用中亟待解決的問題，本文首先歸納了SiC MOSFET與傳統(tǒng)Si MOSFET/IGBT在各類特性上的區(qū)別，討論了SiC MOSFET應用中各類問題產(chǎn)生的根源；進而，對SiC相關應用問題的研究現(xiàn)狀進行歸納以及評述，主要涉及了SiC MOSFET的建模、驅(qū)動技術、EMI抑制以及拓撲與控制方式的選擇與改進等幾個方面。

1　SiC MOSFET器件與Si基場控器件的特性對比

傳統(tǒng)的Si基場控器件分為兩類：一類是Si MOSFET，其額定電壓通常在900 V等級以下的，另一類為Si IGBT，電壓定額在1200 V及以上。為了更好地體現(xiàn)SiC與Si器件之間的特性區(qū)別，本文篩選出了功率等級相近的三組商業(yè)化器件，利用其數(shù)據(jù)手冊中提供的數(shù)據(jù)進行對比，第1組（編號1-4）為1200 V等級的SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si IGBT，電流等級在25 A（殼溫Tc=100°C時）左右，第2組（編號5-6）與第3組（編號7-8）分別為900 V以及650 V電壓等級的SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si MOSFET，具體型號參數(shù)見表1。通過對比兩代器件的靜態(tài)與動態(tài)等特性，總結SiC器件在實際應用中需要重點關注的特性。

表1　不同電壓等級的SiC和Si功率管的型號參數(shù)Tab.1　1 Parameters of SiC and Si power devices with different voltage levels

1.1靜態(tài)特性對比

1.1.1導通電阻

圖1給出了1 200 V與900 V電壓等級（650 V曲線與900 V類似，不再給出）下SiC與Si器件的導通電阻特性對比，圖中曲線的編號對應表1中器件的編號。從圖中可以看出，1 200 V等級的SiC器件相對于IGBT來說在導通電阻方面并不占優(yōu)勢（圖中所給出的IGBT導通電阻是由數(shù)據(jù)手冊中的導通壓降與測試電流相除得出），但是相對于Si CoolMOS來說，導通特性改善很大，尤其在結溫較高時。此外，Si CoolMOS的導通電阻與Si IGBT的導通壓降始終為正溫度系數(shù)，而SiC MOSFET的導通電阻與溫度的關系更為復雜，從負溫度開始先是負相關然后呈正相關，這就導致在對SiC MOSFET建模時，不能沿用以往Si器件的經(jīng)驗模型，需要進行修正，在應用SiC MOSFET時也需要注意到其與Si基場控器件不一樣的溫度特性。

圖1　SiC與Si器件導通電阻特性對比Fig.1　Comparison of the resistance characteristics of SiC and Si devices

1.1.2開啟閾值電壓

圖2分別給出了1 200 V等級SiC MOSFET 與Si IBGT以及650 V/900 V等級的SiC MOSFET 與Si CoolMOS的開啟閾值電壓對比，其中，Cool MOS的數(shù)據(jù)手冊只給出其在25°C時的數(shù)據(jù) （圖2b中用×表示）。顯然，SiC的閾值電壓Vth遠小于Si IGBT，也小于同電壓等級的CoolMOS，部分類型的SiC MOSFET，如MicroSemi公司產(chǎn)品（圖2a中曲線2），啟動閾值電壓已經(jīng)小于1 V。此外，SiC器件的閾值電壓具有負溫度系數(shù)的特性，為了充分發(fā)揮SiC器件的耐高溫特性，在應用時設計SiC器件工作在結溫較高的狀態(tài)，此時，啟動閾值電壓將會更低。因此，在用SiC器件替代Si器件時，需要其驅(qū)動電路具有較強的抗干擾能力，采取特別的措施防止功率管誤開通。

圖2　SiC與Si器件閾值電壓特性對比Fig.2　Comparison of the threshold voltage characteristics of SiC and Si devices

1.1.3柵-源極耐壓與柵極內(nèi)阻

表2列出了不同電壓等級的SiC與Si基場控器件的柵源GS（gate-source）極耐壓范圍以及柵極內(nèi)阻。從表中可以看出SiC器件的耐負壓能力偏弱，遠小于Si器件。其次，其柵極內(nèi)阻遠大于CoolMOS，接近Si IGBT。因此，當驅(qū)動回路中存在干擾電流時，SiC器件GS端感應出的干擾電壓相比于Si器件更有可能造成器件的破壞或者誤開通，這也是SiC器件驅(qū)動電路設計中應當特別注意的問題。

1.1.4轉(zhuǎn)移特性

圖3給出了1 200 V與650 V電壓等級的部分SiC器件與Si器件的轉(zhuǎn)移特性的對比結果。由圖可見，SiC器件的轉(zhuǎn)移特性與Si器件有較大的區(qū)別，SiC MOSFET的轉(zhuǎn)移特性受結溫的影響較大，因此，SiC MOSFET在建模時不能忽略溫度對其轉(zhuǎn)移特性的影響；Si IGBT在驅(qū)動電壓Vge高于12 V時，飽和集電極電流具有負溫度系數(shù)，而Si CoolMOS在驅(qū)動電壓高于6 V對具有負溫度系數(shù)，而SiC MOSFET需要較高的電壓才有可能呈現(xiàn)負溫度系數(shù)?？紤]到驅(qū)動電壓設計在正溫度系數(shù)范圍內(nèi)時，如果器件工作在線性區(qū)，電流中的沖擊會使得器件溫度暫時上升，從而使電流沖擊變得更大而導致器件失控。因此，在設計SiC驅(qū)動電路時，需要結合器件的轉(zhuǎn)移特性找到合適的驅(qū)動電壓或者設計相應的保護措施。

表2　SiC和Si器件的柵-源極耐壓與柵極內(nèi)阻特性Tab.2　Integrated gate resistors and Gate-Source permit voltages of SiC and Si devices

圖3　SiC與Si器件轉(zhuǎn)移特性對比Fig.3　Comparison of the transfer characteristics of SiC and Si devices

1.2開關損耗與開關時間

表3列出了三組器件在數(shù)據(jù)手冊中開關損耗的測試結果，900 V與650 V的CoolMOS數(shù)據(jù)手冊中沒有給出開關損耗測試結果，無法對比。由表可知，使用SiC器件可以顯著減小硬開關電路的開關損耗，提高變換器效率；從各類器件的開關時間來看，在650 V低壓場合，現(xiàn)有的SiC商業(yè)器件與Cool-MOS相比在開關速度上尚不占優(yōu)勢，但在900 V以上的場合可以顯著減小開關時間。考慮到1 200 V SiC器件的開關損耗與開關時間相比于Si器件均大大減小，因此，SiC功率器件很適合于高頻高壓場合，變換器中無源元件的體積重量可以通過增加開關頻率來減小，從而減小變換器的整體體積，增加功率密度。

表3　不同電壓等級的SiC和Si器件的動態(tài)特性參數(shù)Tab.3　Dynamic characteristic parameters of SiC and Si devices with different voltage levels

1.3體二極管特性

表4列出了各型功率管的反并聯(lián)二極管或寄生體二極管的正向?qū)▔航蹬c反向恢復特性的數(shù)據(jù)。由表可知，SiC MOSFET寄生體二極管存在正向?qū)▔航荡蟮娜秉c，與Si器件相比，SiC器件在功率電路中體二極管的續(xù)流損耗會增加。但是，SiC MOSFET寄生體二極管具有優(yōu)越的反向恢復特性，其反向恢復時間以及恢復電荷遠小于同電壓等級IGBT的反并聯(lián)二極管以及CoolMOS的寄生體二極管，極大地減小了電路中電流強制換向所造成的反向恢復損耗與電流尖峰。因此，在選擇拓撲與控制方式時應當盡量減少體二極管中電流流過的時間，減小損耗。

表4　不同電壓等級的SiC和Si器件的體二極管特性Tab.4　Body diode parameters of SiC and Si devices with different voltage levels

2　SiC功率器件應用中需要解決的關鍵問題

2.1器件建模

在實際工程應用設計中，需要分析SiC MOSFET的靜態(tài)、動態(tài)特性以及損耗，分析電路中寄生參數(shù)對SiC MOSFET開關瞬態(tài)及對電路中其他元件的影響。因此，有必要建立精確的SiC MOSFET模型，用于工程設計前期的系統(tǒng)分析以及效率估算。建模的主要思路是利用可控電壓源、電流源、電容、電阻以及電感等元件組成等效電路，準確地建立起SiC MOSFET GS、漏源極DS（drain-source）端電壓以及DS電流之間的關系，反映器件在不同環(huán)境下的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性以及開關特性等［13］。

常見的SiC MOSFET建模方法是行為建模。模型中采用數(shù)學公式擬合，所需參數(shù)從實驗測得的相關曲線中提取，建模電路沒有實際物理意義。文獻［14］利用典型的行為建模思路建立了SiC MOSFET的損耗計算模型，功能比較單一；文獻［15］則利用數(shù)學擬合表達式建立含有導通電阻與寄生電容參數(shù)的SiC MOSFET行為模型，但是所考慮的寄生電容值為恒值，也忽略了溫度的影響，精確度較低。上述行為建模盡管簡單，但是精確度難以滿足需求，因此，較多學者對SiC MOSFET的物理建模進行了深入研究。文獻［16］給出了SiC MOSFET的一種具體建模方案，考慮了MOSFET的表面陷阱密度、表面粗糙度散射、聲子散射等因素以及這些因素和溫度的關系，建立了較為精確的物理模型，然而該模型計算量大，等效電路復雜，不利于快速仿真，限制了其實用價值；文獻［17，18］的物理模型也同樣存在上述缺點。為此，不少學者嘗試簡化物理模型，使其更具實用性。文獻［19］提出了一種新的物理模型參數(shù)提取方案，通過器件的數(shù)據(jù)手冊即可完成建模；文獻［20］一方面對復雜的描述公式進行近似簡化，另一方面也對物理模型所考慮的影響因素進行取舍，著重研究了影響溝道電流的氧化層表面陷阱以及影響器件特性的源極漂移層阻值的變化，進一步簡化了物理模型。

此外，將物理建模與行為建模相結合也是一種提高行為模型精確度、簡化物理模型的方案。半經(jīng)驗短溝道模型是一種在Pspice軟件中使用的經(jīng)典半物理模型，被廣泛用于Si MOSFET的建模。但該模型在模擬SiC MOSFET時存在較大的偏差。不少學者在該模型的基礎上加入額外的描述元件，提高半物理模型的精確度。文獻［21］提出一種改進型半物理模型，主要引入溫度補償函數(shù)，改善了該模型在不同溫度下的描述精確性，然而該模型只是在分立的溫度點設置參數(shù)組，其他溫度點參數(shù)由線性插值而來，寬溫度范圍內(nèi)的精確性不高；文獻［22］引入了溫控電壓源與電流源補償溫度變化產(chǎn)生的差異，精確度得到了提高，但是忽略了SiC器件的低溫特性；在此基礎上，文獻［23］改進了溫控電壓源與電流源的擬合函數(shù)，使得改進模型在寬溫度范圍內(nèi)接近器件的實際特性；除了考慮SiC MOSFET受溫度影響的因素外，文獻［24］利用CREE提供的庫文件，對Pspice的半物理內(nèi)核進行改進，提高了模型精確性；文獻［25］結合物理結構對SiC MOSFET的寄生體二極管模型進行了改進；文獻［26］考慮MOS管結電容的非線性特性，進行了建模，取代原有模型中的固定值。然而，上述半物理模型仍然局限于對傳統(tǒng)半物理模型的部分缺陷進行改進，缺乏全面性以及物理結構上的考慮，模型的精確性仍有待提高。

2.2驅(qū)動電路設計

雖然現(xiàn)有的商用SiC MOSFET都指出可以較好地兼容 Si MOSFET/IGBT應用場合中的驅(qū)動電路，但是僅僅在現(xiàn)有的應用場合中使用SiC器件替代Si器件并不能發(fā)揮SiC器件的大部分優(yōu)勢，SiC功率器件更適合于在更高頻、高溫的場合。然而，隨著開關頻率與工作溫度的不斷提高，傳統(tǒng)的Si MOSFET/IGBT的驅(qū)動電路會存在一些問題。

首先，SiC器件的啟動閾值電壓低、GS端耐壓范圍窄，尤其承受負壓能力小，極限值一般在-6～-10 V之間，這將使得橋臂電路中存在的串擾問題嚴重影響SiC器件的正常工作。橋臂電路串擾示意如圖4所示。圖4給出了橋臂電路在上管關斷、下管開通所導致上管DS兩端電壓變化而產(chǎn)生的干擾電流示意，其中，Rg為驅(qū)動電阻，Rg（in）為柵極寄生內(nèi)阻，Cgs，Cgd，Cds為MOSFET柵源，柵漏以及漏源極寄生電容，D為寄生體二極管，IL為橋臂工作電流，VDC為橋臂之路上的電壓，Vgs為柵源極上的電壓。從干擾電流方向來看，下管開通會使上管GS端出現(xiàn)正干擾電壓。同樣，如圖4（b）所示，下管關斷會使得上管GS端出現(xiàn)負干擾電壓。

圖4　橋臂電路串擾示意Fig.4　Crosstalk problem in a phase-leg configuration

從上述分析可以看出，串擾產(chǎn)生的原因是由于其他開關管的開關動作導致處于關閉狀態(tài)的開關管DS兩端電壓的急劇變化，從而經(jīng)由處于關斷狀態(tài)的開關管自身的米勒電容與驅(qū)動回路產(chǎn)生感應電流，由于電路中驅(qū)動電阻以及開關管本身的寄生柵極電阻的存在，開關管GS兩端產(chǎn)生感應電壓，電壓的大小為

以表1中CREE公司的C2M0080120D的寄生參數(shù)為例，干擾電壓極限值為9.6 V。因此，當電壓變化率足夠大，GS兩端的干擾電壓很有可能會超過閾值電壓或者耐負壓下限，相應地，開關管的工作狀態(tài)就會發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而造成功率器件的額外損耗或損害，特別對處于加負壓驅(qū)動關斷時更為危險。因此，需要在驅(qū)動回路中引入輔助支路，對串擾產(chǎn)生的干擾電壓加以抑制。

抑制串擾最簡單的做法是在GS兩端并接一個相對于Cgs較大的電容，但會減緩SiC器件的開通關斷速度，增加驅(qū)動電路的損耗。另一種則是利用獨立電源提供負壓或者利用電容產(chǎn)生負壓［28］進行關斷，防止串擾產(chǎn)生的正壓超過閾值電壓，但卻忽略了SiC器件耐負壓小的劣勢。為了改進并聯(lián)電容在驅(qū)動階段消耗能量的缺點，較好的方案是在電容支路上串聯(lián)一個PNP三極管［29］或者直接使用PNP三極管［30，31］進行箝位，然而三極管在輔助電路中是作為一種被動開通的單向器件使用，只能對串擾產(chǎn)生的正電壓進行吸收，且正向驅(qū)動階段三極管基極-發(fā)射極之間的電壓有可能會超過其耐壓。因此，文獻［32］提出用PMOS來取代PNP三極管解決其耐壓過小的問題；文獻［33］則采用NMOS取代PNP三極管，通過額外的驅(qū)動信號控制NMOS，主動接入或斷開吸收電容，對正負串擾電壓均有抑制效果，然而驅(qū)動電路的復雜程度大大提高；文獻［34，35］設計一種將三極管與RCD網(wǎng)絡相結合的驅(qū)動電路，不需要額外的獨立負壓電源就能產(chǎn)生負壓進行可靠關斷，同時也能對串擾產(chǎn)生的負壓進行吸收，然而其負串擾電壓吸收電路在正向驅(qū)動階段也會在電容上產(chǎn)生額外的損耗；文獻［36］則提供了一種新穎的抑制串擾思路，通過改變驅(qū)動電路隔離電源的供電邏輯，使得有正向串擾時，被干擾管的驅(qū)動電壓為負電壓，當有負電壓串擾時，被干擾管的驅(qū)動電壓為零電壓，但該驅(qū)動電路復雜程度高，需要額外的驅(qū)動信號。綜上所述，每種方案均存在一定的缺點，其吸收效果也存在相當?shù)木窒扌?，有待改進。

其次，為了保證SiC MOSFET功率電路的持續(xù)穩(wěn)定工作，其驅(qū)動電路不僅要有可靠的驅(qū)動能力，還要具備過流保護功能。文獻［37］提出了一種基于羅氏線圈（Rogowski-coil）電流檢測的驅(qū)動電路，當檢測到功率管過流時，調(diào)整驅(qū)動電壓實現(xiàn)MOS管的軟關斷，減小了保護瞬間過大的電流電壓變化率；文獻［38］設計的驅(qū)動在集成過流軟關斷功能的同時，還利用光隔離電源對功率管驅(qū)動進行供電，以減小傳統(tǒng)磁隔離引入的寄生參數(shù)；文獻［39］提出了一種實時獲取SiC MOSFET溫度與漏源極電壓信息來用于故障診斷的驅(qū)動電路，提高了驅(qū)動電路的可靠性。由此可見，尋找簡單可靠的信息獲取手段，以保證SiC MOSFET過流保護軟關斷是驅(qū)動電路設計中需要考慮的一個重要問題。同時，考慮到SiC器件的耐高溫能力，其驅(qū)動電路也同時需要具備較高的高溫工作可靠性。文獻［40］提供了一種利用集成電路工藝去設計SiC驅(qū)動電路的思路，保證了驅(qū)動電路在寬溫度范圍內(nèi)的工作能力，但該驅(qū)動電路仍然只能實現(xiàn)簡單的驅(qū)動功能。

2.3EMI抑制

高頻驅(qū)動的開關器件是變換器主要的高頻噪聲來源［41］。當采用SiC器件替代Si器件時，即使在相同的工作條件下，由于SiC器件開關速度更快，EMI問題會更加嚴重，難以滿足相關的EMI標準。因此，對采用SiC器件的變換器的EMI進行抑制是一個關鍵的理論與技術問題。

變換器EMI主要分為兩類：一類是傳導電磁干擾，另一類是輻射電磁干擾。通過導電介質(zhì)將電網(wǎng)絡信號耦合到另一電網(wǎng)絡、且信號頻率小于等于30 MHz的電磁能量定義為傳導電磁干擾，而高于30 MHz且主要通過空氣耦合干擾信號的電磁能量則定義為輻射電磁干擾，輻射電磁干擾可以通過屏蔽相關電路以及電纜進行抑制，而傳導電磁干擾的抑制較為困難［42］。為了抑制變換器的傳導EMI，需要建立準確的EMI傳導模型，包括建立共模以及差模回路，在變換器設計階段預測EMI水平以及選擇EMI抑制方式。變換器EMI預測模型的建模方法一般分為兩種：一種是集總電路式，即建立一個包含所有影響變換器EMI特性的寄生參數(shù)電路，其中包括散熱器與大地之間的接地阻抗［41］、PCB布局寄生參數(shù)以及功率管與散熱器之間寄生電容［42］、功率器件自身的寄生電感［43］、導線以及無源元件的寄生參數(shù)［44］、驅(qū)動電路的耦合參數(shù)［45］等，但這種建模方案需要考慮的參數(shù)較多，寄生參數(shù)的提取存在一定的困難，各類參數(shù)對EMI影響的程度也不明確；另一種EMI預測模型的行為建模方法是將變換器視為黑盒子，通過檢測輸入輸出共模差模電流以及變換器阻抗建立EMI傳導頻域分析模型［11，46-48］，但變換器阻抗的精確提取較為困難，且模型精度還受限于檢測儀器的采樣精度，需要采取有效的濾波手段去除采樣信號中的噪聲，也存在一定的局限性。

對于不滿足EMI標準的變換器，采取有效的EMI抑制手段是必須的。最直接的做法改變EMI傳導路徑的阻抗，包括加入 EMI濾波器［10，47，49，50］，改變散熱器的材料［52］或結構［51］，以及模塊封裝減小功率器件的寄生參數(shù)［53，54］等。但是加入EMI濾波器會使得變換器的功率密度下降，如何保證濾波效果的同時減小EMI濾波器的體積是一大技術難點；改變散熱器的EMI濾波效果不夠明顯；而新的封裝技術還不夠成熟。另一種抑制方案是減弱EMI發(fā)生源，如并接電容［55］或者采用Si與SiC器件的混合結構［56］，但是并接電容會影響SiC器件的開關速度，混合結構會降低變換器的效率。因此，該方案會犧牲變換器的部分性能。

采用軟開關技術是抑制變換器EMI的重要手段，不僅能減弱EMI發(fā)生源［6，7］，同時，考慮到開關損耗在SiC器件變換器損耗中的主導地位［57］，實現(xiàn)變換器的軟開關，還有利于減小開關損耗，提高變換器的功率密度。

2.4功率變換電路拓撲與控制方式的選擇及改進

雖然電壓等級高的SiC器件性能優(yōu)越，但也存在諸如體二極管導通壓降偏大、低電壓等級SiC MOSFET與Si CoolMOS性能差別不大等缺點。通過選擇或者改進適合SiC器件的變換器電路拓撲以及控制方式，發(fā)揮其優(yōu)勢，規(guī)避其缺點，也是SiC器件應用的一個重要研究方向。文獻［58，59］均利用SiC器件替代傳統(tǒng)三相同步整流中的Si器件，省去了原有變換器中Si器件上用來減小反向恢復電流的反并聯(lián)SiC肖特基二極管，充分發(fā)揮了SiC器件本身寄生體二極管的反向恢復損耗小的優(yōu)勢，同時利用了同步整流拓撲中功率器件體二極管只在死區(qū)續(xù)流階段流過電流的特點，使得SiC器件體二極管壓降大的劣勢所產(chǎn)生的損耗只占到總體損耗的一小部分，極大地提高了變換器的效率；文獻［60］將全橋拓撲中滯后橋臂替換成SiC MOSFET，同樣利用SiC器件反向恢復損耗小的優(yōu)點，提高了DC-DC變換器的可靠性，由于其全橋輸入電壓等級低，選用650 V SiC MOSFET器件替代CoolMOS器件在導通損耗方面并不占優(yōu)勢，因此，采用這種混合結構在提高變換器可靠性的同時，并未對變換器的效率產(chǎn)生較大的影響；文獻［61］采用一種需要高耐壓器件的半橋型3次諧波注入電路對三相無源整流的功率因數(shù)進行矯正，電路中功率管的體二極管也只會在可控的死區(qū)時間段內(nèi)流過電流，該應用場合充分發(fā)揮了SiC器件的高耐壓、低導通及開關損耗優(yōu)勢，在提升拓撲工作頻率的同時實現(xiàn)了高效率，并能有效提高變換器的功率密度；文獻［62］采用類似雙buck逆變器的拓撲避免了續(xù)流電流從功率管的體二極管流過，優(yōu)化了采用SiC器件的固態(tài)變壓器效率以及可靠性。從以上文獻均可以看出，在使用SiC器件改善原有變換器的可靠性以及功率密度等特性時，如何選擇適合SiC器件的拓撲以及控制方式是未來SiC器件應用中需要著重考慮的問題。

3　討論

SiC MOSFET的建模、驅(qū)動電路、電磁干擾抑制及電路拓撲與控制方式是該器件應用中的關鍵理論與技術問題，雖然目前在這些方面已經(jīng)取得了較豐碩的成果，但距離充分發(fā)揮SiC MOSFET器件的性能、推廣該器件應用的要求還存在較大的差距。

首先，在SiC MOSFET的建模方面，行為建?；蛘呶锢斫＞嬖陲@著的缺點，結合兩者優(yōu)點的半物理建模是一種優(yōu)選的方案。但是已有的研究均是在以前Si MOSFET的經(jīng)驗模型上進行補償改進，并未結合SiC器件的物理結構，且很少結合實際應用場合進行優(yōu)化，大都只是通過雙脈沖測試電路進行驗證。精確的SiC MOSFET建型確實存在較多的困難，面向?qū)嶋H應用場合的功能導向型優(yōu)化模型是進一步研究的方向。

其次，在SiC MOSFET的驅(qū)動技術方面，已有大量文獻提出了解決驅(qū)動SiC MOSFET橋式電路中串擾問題的驅(qū)動電路，但是考慮到工業(yè)應用中結構簡單、功能可靠的需求，仍需進一步優(yōu)化驅(qū)動電路結構，滿足SiC MOSFET的驅(qū)動要求。另外，已有的研究大都忽略了SiC耐負壓能力弱的缺點，且兼顧SiC器件低閾值電壓與弱耐負壓能力的驅(qū)動電路也存在吸收能力有限、結構復雜的缺點。一個優(yōu)良的SiC MOSFET驅(qū)動器除了常規(guī)的高速、適當驅(qū)動電壓和隔離等要求外，還需要能有效抑制串擾、能實現(xiàn)過流軟關斷及適應高溫、高集成度要求，這是充分發(fā)揮SiC MOSFET器件優(yōu)良特性的基礎。

在變換器的EMI抑制方面，采用SiC器件的變換器的EMI分析建型仍然存在較大的問題，各類寄生參數(shù)對于EMI的影響并不明確，模型的精確度還有待提高。對于EMI的抑制，傳統(tǒng)的EMI濾波器的方案由于高頻器件的EMI較為嚴重，濾波器體積較大，影響變換器功率密度。從已有的研究來看，軟開關技術是一種較好的減小EMI、實現(xiàn)較高的功率密度的方案，但是對于逆變器等傳統(tǒng)的硬開關平臺，如何實現(xiàn)軟開關也是一種挑戰(zhàn)；通過模塊封裝減小SiC器件的寄生參數(shù)也可減小變換器的EMI，還能改善其功率器件的一些動態(tài)特性，但是改進的空間有限，還需要得到電路拓撲與控制方案方面的配合。

最后，在采用SiC功率器件時，傳統(tǒng)的功率電路拓撲與控制方式需要針對SiC MOSFET新器件的耐壓、體二極管壓降以及體二極管反向恢復等特性重新評估，改進或提出新的功率變換器拓撲與控制方式將是一個重要的研究方向。

4　結語

針對SiC MOSFET器件在電力電子系統(tǒng)應用中存在的問題，本文結合具體器件，對比了傳統(tǒng)Si基場控功率器件與SiC MOSFET器件的特性，歸納并分析了現(xiàn)有文獻對于SiC器件在變換器應用中存在問題的解決思路，探討了未來可能的發(fā)展方向，指出：結合SiC MOSFET器件的物理結構與行為特性進行面向?qū)嶋H應用場合的功能導向型半物理建模是建立兼顧模型精確度與實用性的重要手段；系統(tǒng)化分析現(xiàn)有的驅(qū)動電路方案，明晰現(xiàn)有驅(qū)動電路對串擾抑制的局限性，結合高溫工作電路的設計經(jīng)驗，可以進一步設計出更加簡潔且能夠滿足SiC MOSFET低閾值電壓與弱耐負壓能力，同時還需兼顧SiC MOSFET器件的高速、高溫應用場合的驅(qū)動電路；應進一步系統(tǒng)化地分析各類參數(shù)對SiC MOSFET變換器EMI的影響，明晰各類參數(shù)的重要性，建立相對精確而簡化的分析模型，以便于尋找合適的EMI抑制手段；結合SiC MOSFET器件的特點，改進現(xiàn)有的變換器電路拓撲與控制方式，是發(fā)揮新器件的優(yōu)勢、推廣SiC MOSFET器件應用的重要研究方向。

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Analysis on Characteristics of SiC MOSFET and Key Techniques of Its Applications

ZHANG Binfeng，XU Jinming，QIAN Qiang，ZHANG Zhao，XIE Shaojun
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

SiC MOSFET attracts widespread attention of scholars with its superior characteristics.The performances of power converters，such as switching speed，junction operating temperature and power density can be significantly improved with the replacement of Si-based high frequency switching devices in some applications.However，because of the many differences between SiC and Si devices，direct replacements may cause many problems in practical applications such as the serious crosstalk and EMI problems with the increasing of operating frequency.Many related studies were revealed，but the systematical summary of the existing work has not been seen yet so that the focus of the future work is unclear.Based on the static and dynamic characteristics comparisons between SiC MOSFET and Si MOSFET/IGBT，this paper aims to review the relevant research in the following aspects：SiC MOSFET modeling，gate driver design，EMI suppression and selections of topology and control scheme.The key techniques of SiC MOSFET applications are given.

SiC MOSFET（silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）；device modeling；gate driver；EMI suppression

張斌鋒

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.39

TM46

A

2016-04-29 基金項目：國家自然科學基金資助項目（51477077） Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477077）

張斌鋒（1991-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：功率電子變換技術，E-ma il：bf_zhang@nuaa.edu.cn。

許津銘（1987-），男，博士研究生，研究方向：功率電子變換技術，E-mail：xjinming 01@163.com。

錢強（1992-），男，博士研究生，研究方向：功率電子變換技術，E-mail：nuaaqianqi ang@nuaa.edu.cn。

張曌（1993-），男，博士研究生，研究方向：功率電子變換技術，E-mail：zhao.zz.zha ng@nuaa.edu.cn。

謝少軍（1968-），男，博士，教授，博士生導師，研究方向：功率電子變換技術及航空電源，E-mail：eeac@nuaa.edu.cn。