陳之勃，陳永真

（遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，錦州 121001）

功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)速度與導(dǎo)通電壓的矛盾隨著耐壓的提高越來(lái)越明顯。以第3代MOSFET為例，在結(jié)溫150℃和額定電流條件下，額定電壓100 V時(shí)其導(dǎo)通電壓一般不高于2 V；而額定電壓1 000～1 200 V時(shí)，MOSFET導(dǎo)通電壓將超過(guò)30 V。雖然MOSFET在不斷地改善，但目前性能優(yōu)秀的硅MOSFET的導(dǎo)通電壓仍不低于21 V。盡管IGBT可以有效地降低其導(dǎo)通電壓，但是拖尾電流帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗在頻率50 kHz以上的硬開(kāi)關(guān)應(yīng)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(kāi)關(guān)速度、同時(shí)導(dǎo)通電壓明顯低于硅MOSFET的理想的電力半導(dǎo)體器件。碳化硅MOSFET具有高耐壓、極快的開(kāi)關(guān)速度、低的導(dǎo)通電壓。

1 200 V/24 A的碳化硅MOSFET（CREE公司的CMF10120D）的主要參數(shù)為：導(dǎo)通電阻249 mΩ（結(jié)溫135℃）、柵極電荷0.047 1 μC、米勒電荷21.5 nC；最先進(jìn)的硅MOSFET（IXYS公司的IXFL32N120 P）的主要參數(shù)為：導(dǎo)通電阻820 mΩ（結(jié)溫135℃）、柵極電荷0.36 μC、米勒電荷160 nC。應(yīng)用常規(guī)技術(shù)的相同電壓和電流的高壓MOSFET（Microsemi公司的APT24M120B2）導(dǎo)通電阻為1.5 Ω （結(jié)溫135℃）、柵極電荷0.26 μC、米勒電荷120 nC。很顯然，碳化硅MOSFET的關(guān)鍵性能上性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)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/25 mΩ；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(gè)單元由12個(gè)MOSFET管芯并聯(lián)和6個(gè)SiC二極管并聯(lián)而成；10 kV的碳化硅MOSFET正由電科院測(cè)試，預(yù)計(jì)將應(yīng)用于智能電網(wǎng)領(lǐng)域。1 200 V耐壓的碳化硅MOSFET主要應(yīng)用于替代同領(lǐng)域的硅MOSFET和硅IGBT，可以獲得更便捷的驅(qū)動(dòng)方式和更低的導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗，有利于減小無(wú)源元件體積，進(jìn)而減小整機(jī)的體積。

1 碳化硅MOSFET與硅MOSFET開(kāi)關(guān)特性對(duì)比測(cè)試

為了對(duì)比碳化硅MOSFET與硅MOSFET應(yīng)用性能的差異，本文將碳化硅MOSFET與硅MOSFET分別應(yīng)用于同一交流380 V電源供電的反激式開(kāi)關(guān)電源上。測(cè)試儀器為：隔離通道示波器，型號(hào)TPS2024；電流探頭，型號(hào)TCP305A。

1.1 柵漏電壓，漏源電壓波形的對(duì)比測(cè)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(shí)間為340 ns，硅MOFET柵極電壓上升時(shí)間為3 880 ns，很顯然碳化硅MOSFET比硅MOSFET快一個(gè)數(shù)量級(jí)。不僅如此，由于米勒電荷造成的柵極電壓波形的“平臺(tái)”時(shí)間，碳化硅MOSFET不到100 ns，而硅MOSFET至少要1 μs。

圖1 碳化硅MOSFET柵極電壓上升波形Fig.1 Waveform of the raising voltage at SiC MOSFET

圖2 硅MOSFET柵極電壓上升波形Fig.2 Waveform of the raising voltage Si MOSFET gate

反激式變換器中開(kāi)關(guān)管損耗主要是關(guān)斷損耗，可以通過(guò)漏極—源極電壓上升時(shí)間衡量。在相同的柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)間為92 ns，而硅MOFET的電壓上升時(shí)間為500 ns，很顯然碳化硅MOSFET明顯快于硅MOSFET。

圖3 碳化硅MOSFET漏極-源極電壓上升波形Fig.3 Waveform of the raising voltage of SiC MOSFET drain-source

圖4 硅MOSFET漏極-源極電壓上升波形Fig.4 Waveform of the raising voltage of Si MOSFET drain-source

1.2 MOSFET工作損耗的對(duì)比

兩種MOSFET的工作損耗測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5、圖6看到，在柵極驅(qū)動(dòng)電壓約12 V的狀態(tài)下，碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻約為柵極電壓20 V狀態(tài)下的3倍以上，因此碳化硅MOSFET并沒(méi)有顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。由于碳化硅MOFET的開(kāi)關(guān)速度明顯快于硅MOSFET，因此在關(guān)斷損耗產(chǎn)生明顯的差別。碳化硅 MOSFET的關(guān)斷損耗為6.26 W，而硅MOSFET的關(guān)斷損耗則為61.0 W。

當(dāng)碳化硅MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為20 V，則結(jié)溫在室溫狀態(tài)下導(dǎo)通損耗會(huì)降低到圖5的1/4；在135℃高結(jié)溫狀態(tài)下碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻也僅僅上升20%，而硅MOSFET則上升240%。

圖5 SiC MOSFET的器件損耗Fig.5 Power loss of SiC MOSFET

圖6 Si MOSFET的器件損耗Fig.6 Power loss of silicon MOSFET

2 整機(jī)效率的對(duì)比

相對(duì)于硅MOSFET，碳化硅MOSFET的高開(kāi)關(guān)速度在本實(shí)驗(yàn)實(shí)例中損耗明顯的降低，圖7為采用碳化硅 MOSFET時(shí)整機(jī)的輸入功率，圖8為采用先進(jìn)的硅MOSFET時(shí)整機(jī)的輸入功率。

圖7 采用SiC MOSFET的輸入功率Fig.7 Input power using SiC MOSFET

圖8 采用Si MOSFET的輸入功率Fig.8 Input power using silicon MOSFET

由圖7可見(jiàn)，碳化硅MOSFET的輸入功率為1.28 kW，由圖8可見(jiàn)，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(huì)提高近3%的效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 交流輸入386 V狀態(tài)下的效率對(duì)比Tab.1 Comparison of efficiency at 386 V AC input

3 結(jié)論

碳化硅 MOSFET是一個(gè)性能優(yōu)異的高壓開(kāi)關(guān)器件，不僅具有良好的阻斷能力、低導(dǎo)通電壓，同時(shí)具備了極快的開(kāi)關(guān)速度，是眾多的高壓可關(guān)斷型電力半導(dǎo)體器件中的佼佼者。其極快的開(kāi)關(guān)速度可以用于高壓、高頻的開(kāi)關(guān)功率變換領(lǐng)域。

由于碳化硅MOSFET柵極電荷遠(yuǎn)低于硅MOSFET，即使是大功率碳化硅MOSFET也可以用一般的開(kāi)關(guān)電源芯片直接驅(qū)動(dòng)，而即使是相應(yīng)電壓、電流參數(shù)的高性能硅MOSFET則需要至少5倍于驅(qū)動(dòng)碳化硅 MOSFET的驅(qū)動(dòng)能力才能使硅MOSFET具有比較快的開(kāi)關(guān)速度。這時(shí)的應(yīng)用碳化硅MOSFET可以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)能力一般的驅(qū)動(dòng)技術(shù)?；蛘咴谙嗤尿?qū)動(dòng)條件下，碳化硅MOSFET具有比硅MOSFET快一個(gè)數(shù)量級(jí)的開(kāi)關(guān)速度。

相同的漏極電流條件下，碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電壓是高性能硅MOSFET導(dǎo)通電壓的一半，在高結(jié)溫條件下碳化硅MOSFET導(dǎo)通電壓則可能為高性能硅MOSFET的1/4。如果將柵極驅(qū)動(dòng)電壓提升至20 V，則效率的提高會(huì)更明顯。

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直接將碳化硅 MOSFET替代硅MOSFET，可以在20%～100%負(fù)載范圍內(nèi)提高整機(jī)效率3%左右。

[1]Callanan R J,Agarwal A,Burk A,et al.Recent progress in SiC DMOSFETs and JBS diodes at cree[C].IEEE Industrial Electronics 34th Annual Conference.IECON 2008,2008, 10-13：2885-2890.

[2]徐靜平,李春霞,吳海平.4H-SiC n-MOSFET的高溫特性分析[J].物理學(xué)報(bào),2005,54（6）：2918-2923.

Xu Jingping,Li Chunxia,Wu Haiping.Analyses on hightemperature electrical properties of 4H-SiC n-MOSFET[J]. Acta Physica Sinica,2005,54（6）：2918-2923（in Chinese）.

[3]張波,鄧小川,張有潤(rùn),等.寬禁帶半導(dǎo)體SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào).2009,4（2）：111-118.

Zhang Bo,Deng Xiaochuan,Zhang Yourun,et al.Recent development and future perspective of silicon carbide power devices-opportunity and challenge[J].Journal of China Academy of Electronics&Information Technology, 2009,4（2）：111-118（in Chinese）.

[4]黃維,常少輝,陳之戰(zhàn),等.11 kV大功率SiC光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通特性[J].強(qiáng)激光與粒子束.2010,22（3）：511-514.

Huang Wei,Chang Shaohui,Chen Zhizhan et al.On-state characteristics of an 11 kV high-power SiC photoconductive semiconductor switch[J].High Power Laser and Particle Beams,2010,22（3）：511-514（in Chinese）.