SiC MOSFET与Si SJ MOSFET、Si IGBT特性比较分析

前言

本文为进一步了解SiC器件优势，利用各大厂商的数据手册、应用笔记分析对比SiC与Si功率器件的特性。分别选择具有相同电压和电流等级的 650V20A SiC MOSFET和Si SJ-MOSFET，以及1200V25A SiC MOSFET与Si IGBT。要注意的是，在不同厂商与技术代别中SiC器件与Si器件某一特性的具体数值和相对比例，一定是有区别的[1]，但SiC器件与Si器件对比结果的趋势是不变的。

1、SiC MOSFET与Si SJ-MOSFET对比

1.1静态特性

表1 Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件参数

表1为Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件的静态参数，图1为Si SJ-MOSFET(图左)与SiC MOSFET（图右）传递特性曲线，可以看出SJ-MOSFET VGS（栅压）大于VTH（阈值电压）后电流迅速上升，且呈现负温系数。而对于SiC MOSFET 在VGS超过VTH后，上升速度缓慢，说明器件Gf（跨导）较小，且VGS小于10V呈现正温特性。同时在VGS高达20V时（参考输出特型曲线），也没有进入饱和状态，正是由于以上特性，要求SiC MOSFET的开通驱动电压高于SJ-MOSFET，以使得SiC MOSFET工作在负温区。可以看出温度对SiC MOSFET输出电流特性的影响小于SJ-MOSFET。

图 1 Si SJ-MOSFET(图左)与SiC MOSFET（图右）传递特性曲线

如图 2所示为SJ-MOSFET与SiC MOSFET的输出特性曲线，当VGS超过8V后，SJ-MOSFET已经充分导通，其IDS-VDS的特性曲线几乎重叠。而SiC MOSFET在不同VGS下的IDS-VDS曲线相距较远，且饱和区与线性区的拐点没有Si器件明显。同时SiC MOSFET的曲线的斜率在VGS大于15V后变化才会较小，才能获得低导通电阻，以上特征都与其传递特性相吻合。

图 2 Si SJ-MOSFET（图左）与SiC MOSFET（图右）输出特性曲线

此外如图 3所示，SiC MOSFET 的RDS(ON)（导通电阻）曲线呈现U形，而SJ-MOSFET的RDS(ON)随着Tj（结温）的升高而升高，这是由于SJ-MOSET的JFET（Junction Field Effect Transistor）区与漂移区电阻起主导作用，同时从图可以看出SiC MOSFET在高温下依然保持较低的导通损耗，而在使用SJ-MOSFET需要特别关注RDS(ON)上升对散热的要求。

图 3 Si SJ-MOSFET(图左)与SiC MOSFET（图右）RDS(ON)-TJ特性曲线

1.2 动态特性对比

表2 Si SJ-MOSFET和 SiC MOSFET动态参数

由于器件开关测试条件不同，因此通过观察SiC MOSFET 与SJ-MOSFET C-V曲线，对器件的开关参数进行初步判断。如表2可以看到SiC MOSFET的Ciss（输入电容）明显小于SJ-MOSFET，可以进一步推测SiC的关断延时会明显小。同时值得注意的是Si SJ-MOSFET的Crss（米勒电容）在低压（小于300V）时相对较小。

图 4 Si SJ-MOSFET(图左))与SiC MOSFET （图右）C-V特性曲线

图 5显示SiC MOSFET与SJ-MOSFET的栅电荷Qg，从图中可以看出SiC MOSFET的Qg明显小于SJ-MOSFET，这表明SiC MOSFET的驱动能量明显更小，同时可以看到SiC MOSFET的米勒平台（图中红色标注地方）更小，而SJ-MOSFET有明显的米勒平台，因此SiC MOSFET更适用于高频率的开关。

图 5 Si SJ-MOSFET（图左）与SiC MOSFET（图右）Qg特性曲线

2、SiC MOSFET与Si IGBT的参数对比

由于SiC材料的特性，1200V、1700V 电压等级的SiC MOSFET可以与硅基同等电压的IGBT相比较，为了更好地体现SiC与Si IGBT器件之间的特性区别，选取常用的1200V25A等级的SiC MOSFET与Si IGBT，利用其数据手册中提供的数据进行对比。

2.1静态特性

表3 SiC MOSFET和Si IGBT器件静态参数

表3为SiC MOSFET和Si IGBT器件静态参数。图 6为选取IKW25T120与C2M0080120D进行参数对比，可以看出SiC MOSFET和Si IGBT的传递特性形态基本相似，当VGS小于VTH时是正温系数，当VGS较高时呈现负温系数。

图 6 Si IGBT(图左)与 SiC MOSFET（图右）转移特性曲线

图 7为器件的输出特性曲线，SiC MOSFET的ID-VDS曲线是从零点开始，是由于其电阻特性，而Si IGBT是在VCE大于VCEsat(饱和压降)后才有电流输出，这是因为IGBT其内部寄生BJT（Bipolar junction Transistor）负责导通。因此在小电流下IGBT的导通压降更大，SiC MOSFET导通损耗更小。在大电流下IGBT能够在较小的导通压降下流通更大的电流，所以IGBT的跨导更大。

图 7 Si IGBT（图左）与SiC MOSFET（图右）输出特性曲线

2.2动态特性

表4为SiC MOSFET和Si IGBT器件动态参数，图8所示为选取IKW25T120与C2M0080120D的C-V曲线，从表格可以看出SiC MOSFET 的Crss（米勒电容）明显小于Si IGBT。对比发现由于Si IGBT有较大的Ciss，会导致器件的开通时间与关断拖尾时间较长，则其开关能量就会明显大于SiC MOSFET。但同时需要注意的是SiC MOSFET的快速开关，也会导致开通过程中较大的VDS与IDS尖峰。但值得注意是，不同厂家对不同应用进行器件最优匹配时，会对参数采取不同的规格设计（也受限于结构、工艺等多种因素），比如表4中的MSC080SMA120B与SCT2080KE。

表4 SiC MOSFET和Si IGBT器件动态参数

图 8 Si IGBT（图左）与SiC MOSFET（图右）C-V特性曲线

Si IGBT和SiC MOSFET的栅电荷Qg如图9所示，SiC MOSFET的Qg明显小于IGBT，这说明SiC MOSFET更适用于高频率。

图 9 Si IGBT（图左）与SiC MOSFET（图右）Qg特性曲线

3、总结

以上都是通过DateSheet数据分析，但是对于器件性能的评估，还需要结合实际应用中器件静态特性、开关性能、温度行为和损耗分布等方面的综合比较。引用相关文献中三种器件（SiC MOSFET与Si IGBT与Si SJ-MOSFET）的关断测试波形，如图 10[2]、图 11[3]所示。在相同半桥测试条件下，SiC MOSFET比其他器件更快，SiC器件可以显著减小开关电路的开关损耗，提高效率。因此，SiC功率器件很适合于高频高压场合。同时需要注意的是，碳化硅设备的栅极驱动电压是不同的。

图 10 Si IGBT 与SiC MOSFET Turn off曲线

Eoff@ Ic=12.5A, Vce=800V, Rgoff=2.2Ω,Vgsoff=4V

图 11 SiC MOSFET与Si SJ-MOSFET Turn off曲线

Eoff@ Ic=16A, Vce=400V, Rgoff=14.7Ω,

【参考文献】

[1] 高远. 碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术[M]北京:机械工业出版社 2020, 10-9

[2] A. Kadavelugu, V. Baliga, S. Bhattacharya, M. Das, and A. Agarwal, "Zero voltage switching performance of 1200 V SiC MOSFET, 1200 V silicon IGBT and 900 V CoolMOS MOSFET," in Proc. IEEE Energy Convers. Congr. Expo., 2011, pp. 1819-1826.

[3] STMICROELECTRONICS. "Comparative analysis of driving approach and performance of 1.2 kV SiC MOSFETs, Si IGBTs, and normally-off SiC JFETs ," [Z] Technical article.

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