整個電力半導體器件中變化最大的就是功率MOSFET，其中，硅基器件中SJ MOSFET器件和IGBT器件在結構和工藝技術得到了較深的發展。SJ（超結）MOSFET采用基于電荷平衡的器件結構，導通電阻明顯下降，在高壓應用時優勢尤其突出。但是，以寬禁帶半導體（碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN））形式出現的新材料技術正在提供可改善電路設計人員選擇的選擇，特性更接近理想的開關。 ?

半導體材料發展路徑（數據來源：浙商證券研究所? ） ? 工程師在性能、成本、操作、尺寸、熱效率和可用性之間進行設計抉擇時需要權衡取舍。 ?

一.? 碳化硅MOS器件

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統的硅材料（Si），碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發光電子元器件，下游應用領域包括智能電網、新能源汽車、光伏風電、5G通信等，在功率器件領域，碳化硅二極管、MOSFET已經開始商業化應用。 ?

碳化硅從材料到半導體功率器件會經歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設計、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經外延生長得到外延片。外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓，將晶圓切割成die，經過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。 ?

不同半導體材料性能對比 ?

二.?? 超結(SJ)MOS器件

Si-MOSFET根據制造工藝可分為平面柵極MOSFET和超結MOSFET。平面柵極MOSFET在提高額定電壓時，漂移層會變厚，導致導通電阻增加的問題。而超結MOSFET通過在D端和S端排列多個垂直pn結的結構來解決這個問題，實現了在保持高電壓的同時降低導通電阻。

超結MOSFET的優勢在于其具有高耐壓和低電阻的特點。相較于普通高壓VDMOS，超結MOSFET的導通電阻遠小，適用于高能效和高功率密度的快速開關應用。此外，超結MOSFET的額定電壓越高，導通電阻的下降越明顯，使其在中低功率水平下的高速運行非常適合。

超結MOSFET的制造工藝相較于常規MOSFET更加復雜，主要體現在溝槽的填充外延制造方法上。超級結MOSFET通過使溝槽和溝槽間距盡可能小和深，設計具有較低電阻的N層，實現了低導通電阻產品。

【超級結中，trr比平面MOSFET快，irr電流更大】

超結MOSFET相較于平面MOSFET具有更大的pn結面積，因此在內部二極管的反向電流和反向恢復時間方面存在一些問題。雖然超結MOSFET的trr比平面MOSFET快，但irr電流更大。以下是Si-MOSFET的常規制造工藝和超結制造工藝的對比：

【常規MOS制造工藝】

【超級結的溝槽填充外延制造方法】

此外，Si-MOSFET還與其他器件進行了功率和頻率的比較，如IGBT、碳化硅MOS、平面/超結MOS等。

【IGBT、碳化硅MOS、平面/超結MOS的功率和頻率比較】

以下是SJ-MOSFET的一些關鍵特點和優勢：

高耐壓：SJ-MOSFET具有高額定電壓，能夠在高壓環境下穩定工作。

低導通電阻：SJ-MOSFET的導通電阻遠小于傳統平面MOSFET，能夠提供更高的效率和功率密度。

高速開關：SJ-MOSFET的超級結結構使其具有快速開關特性，適用于高頻率應用。

可靠性：SJ-MOSFET的產品質量可靠，性能穩定，適用于各種嚴苛的工作環境。

三.? IGBT器件

IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由（BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應管（MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有（MOSFET）金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（GTR）的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；（因為Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN結材料和厚度有關））MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。（因為MOS管有Rds，如果Ids比較大，就會導致Vds很大）

IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT最主要的作用就是把高壓直流變為交流，以及變頻（所以用在電動車上比較多）。

IGBT有N溝道型和P溝道型兩種，主流的N溝道IGBT的電路圖符號及其等效電路如下：

所以整個過程就很簡單：

當柵極G為高電平時，NMOS導通，所以PNP的CE也導通，電流從CE流過。

當柵極G為低電平時，NMOS截止，所以PNP的CE截止，沒有電流流過。

IGBT與MOSFET不同，內部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當的快恢復二極管。

IGBT的優缺點

優點：

1、具有更高的電壓和電流處理能力。

2、極高的輸入阻抗。

3、可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

4、電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

5、柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求

6、通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關閉它。

7、具有非常低的導通電阻。

8、具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。10、具有比 BJT 更高的開關速度。

11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。

12、雙極性質，增強了傳導性。

13、安全可靠。

缺點：

1、開關速度低于 MOS管。

2、因為是單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

3、不能阻擋更高的反向電壓。

4、比 BJT 和 MOS管價格更高。

5、類似于晶閘管的P-N-P-N結構，因此它存在鎖存問題

IGBT的主要參數：

1、集電極-發射極額定電壓UCES是IGBT在截止狀態下集電極與發射極之間能夠承受的最大電壓，一般UCES小于或等于器件的雪崩擊穿電壓。

2、柵極-發射極額定電壓UGE是IGBT柵極與發射極之間允許施加的最大電壓，通常為20V。柵極的電壓信號控制IGBT的導通和關斷，其電壓不可超過UGE。

3、集電極額定電流IC是IGBT在飽和導通狀態下，允許持續通過的最大電流。

4、集電極-發射極飽和電壓UCE是IGBT在飽和導通狀態下，集電極與發射極之間的電壓降。該值越小，則管子的功率損耗越小。

5、開關頻率在IGBT的使用說明書中，開關頻率是以開通時間tON、下降時間t1和關斷時間tOFF給出的，根據這些參數可估算出IGBT的開關頻率，一般可達30～40kHz。在變頻器中，實際使用的載波頻率大多在15kHz以下。

IGBT如何選型：

1、IGBT額定電壓的選擇三相380V輸入電壓經過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關工作的條件下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據IGBT規格的電壓等級，選擇1200V電壓等級的IGBT。

2、IGBT額定電流的選擇以30kW變頻器為例，負載電流約為79A，由于負載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鐘的時間內，承受1.5倍的過流，擇最大負載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。

3、IGBT開關參數的選擇變頻器的開關頻率一般小于10kHZ，而在實際工作的過程中，IGBT的通態損耗所占比重比較大，建議選擇低通態型IGBT。

四.? SiC MOSFET與Si SJ-MOSFET對比

1.1靜態特性

表1：Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件參數

上表為Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件的靜態參數，可以看出SJ-MOSFET VGS（柵壓）大于VTH（閾值電壓）后電流迅速上升，且呈現負溫系數。而對于SiC MOSFET 在VGS超過VTH后，上升速度緩慢，說明器件Gf（跨導）較小，且VGS小于10V呈現正溫特性。同時在VGS高達20V時（參考輸出特型曲線），也沒有進入飽和狀態，正是由于以上特性，要求SiC MOSFET的開通驅動電壓高于SJ-MOSFET，以使得SiC MOSFET工作在負溫區。可以看出溫度對SiC ?MOSFET輸出電流特性的影響小于SJ-MOSFET。

圖1：Si SJ-MOSFET(圖左)與SiC MOSFET（圖右）傳遞特性曲線

如下圖所示為SJ-MOSFET與SiC MOSFET的輸出特性曲線，當VGS超過8V后，SJ-MOSFET已經充分導通，其IDS-VDS的特性曲線幾乎重疊。而SiC MOSFET在不同VGS下的IDS-VDS曲線相距較遠，且飽和區與線性區的拐點沒有Si器件明顯。同時SiC ?MOSFET的曲線的斜率在VGS大于15V后變化才會較小，才能獲得低導通電阻，以上特征都與其傳遞特性相吻合。

圖2：Si SJ-MOSFET（圖左）與SiC MOSFET（圖右）輸出特性曲線

此外如圖 3所示，SiC MOSFET 的RDS(ON)（導通電阻）曲線呈現U形，而SJ-MOSFET的RDS(ON)隨著Tj（結溫）的升高而升高，這是由于SJ-MOSET的JFET（Junction Field Effect Transistor）區與漂移區電阻起主導作用，同時從圖可以看出SiC MOSFET在高溫下依然保持較低的導通損耗，而在使用SJ-MOSFET需要特別關注RDS(ON)上升對散熱的要求。

Si SJ-MOSFET(圖左)與SiC MOSFET（圖右）RDS(ON)-TJ特性曲線

1.2 動態特性對比

Si SJ-MOSFET和 SiC MOSFET動態參數 由于器件開關測試條件不同，因此通過觀察SiC MOSFET 與SJ-MOSFET ?C-V曲線，對器件的開關參數進行初步判斷。如上表可以看到SiC MOSFET的Ciss（輸入電容）明顯小于SJ-MOSFET，可以進一步推測SiC的關斷延時會明顯小。同時值得注意的是Si SJ-MOSFET的Crss（米勒電容）在低壓（小于300V）時相對較小。

圖4：Si SJ-MOSFET(圖左))與SiC MOSFET （圖右）C-V特性曲線

圖 5顯示SiC MOSFET與SJ-MOSFET的柵電荷Qg，從圖中可以看出SiC MOSFET的Qg明顯小于SJ-MOSFET，這表明SiC MOSFET的驅動能量明顯更小，同時可以看到SiC MOSFET的米勒平臺（圖中紅色標注地方）更小，而SJ-MOSFET有明顯的米勒平臺，因此SiC MOSFET更適用于高頻率的開關。

圖5：Si SJ-MOSFET（圖左）與SiC MOSFET（圖右）Qg特性曲線

五、SiC MOSFET與Si IGBT的參數對比 由于SiC材料的特性，1200V、1700V 電壓等級的SiC MOSFET可以與硅基同等電壓的IGBT相比較，為了更好地體現SiC與Si IGBT器件之間的特性區別，選取常用的1200V25A等級的SiC MOSFET與Si IGBT，利用其數據手冊中提供的數據進行對比。 2.1靜態特性

表3：為SiC MOSFET和Si IGBT器件靜態參數

圖 6為選取IKW25T120與C2M0080120D進行參數對比，可以看出SiC MOSFET和Si IGBT的傳遞特性形態基本相似，當VGS小于VTH時是正溫系數，當VGS較高時呈現負溫系數。

圖6：Si IGBT(圖左)與 SiC MOSFET（圖右）轉移特性曲線

圖 7為器件的輸出特性曲線，SiC MOSFET的ID-VDS曲線是從零點開始，是由于其電阻特性，而Si IGBT是在VCE大于VCEsat(飽和壓降)后才有電流輸出，這是因為IGBT其內部寄生BJT（Bipolar junction Transistor）負責導通。因此在小電流下IGBT的導通壓降更大，SiC MOSFET導通損耗更小。在大電流下IGBT能夠在較小的導通壓降下流通更大的電流，所以IGBT的跨導更大。

圖7：Si IGBT（圖左）與SiC MOSFET（圖右）輸出特性曲線

2.2動態特性 表4為SiC MOSFET和Si IGBT器件動態參數，圖8所示為選取IKW25T120與C2M0080120D的C-V曲線，從表格可以看出SiC MOSFET 的Crss（米勒電容）明顯小于Si IGBT。對比發現由于Si IGBT有較大的Ciss，會導致器件的開通時間與關斷拖尾時間較長，則其開關能量就會明顯大于SiC MOSFET。但同時需要注意的是SiC MOSFET的快速開關，也會導致開通過程中較大的VDS與IDS尖峰。但值得注意是，不同廠家對不同應用進行器件最優匹配時，會對參數采取不同的規格設計（也受限于結構、工藝等多種因素）。

表4 ：SiC MOSFET和Si IGBT器件動態參數

圖8：Si IGBT（圖左）與SiC MOSFET（圖右）C-V特性曲線 Si IGBT和SiC MOSFET的柵電荷Qg如圖9所示，SiC MOSFET的Qg明顯小于IGBT，這說明SiC MOSFET更適用于高頻率。

圖9：Si IGBT（圖左）與SiC MOSFET（圖右）Qg特性曲線

以上都是通過DateSheet數據分析，但是對于器件性能的評估，還需要結合實際應用中器件靜態特性、開關性能、溫度行為和損耗分布等方面的綜合比較。引用相關文獻中三種器件（SiC MOSFET與Si IGBT與Si SJ-MOSFET）的關斷測試波形，如圖 10、圖 11所示。在相同半橋測試條件下，SiC MOSFET比其他器件更快，SiC器件可以顯著減小開關電路的開關損耗，提高效率。因此，SiC功率器件很適合于高頻高壓場合。同時需要注意的是，碳化硅設備的柵極驅動電壓是不同的。

圖10：Si IGBT 與SiC MOSFET Turn off曲線

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

圖11：SiC MOSFET與Si SJ-MOSFET Turn off曲線

Eoff@ Ic=16A, Vce=400V, Rgoff=14.7Ω 六.? 器件的選擇 如果您對在不同類型的半導體器件和材料之間進行選擇感到困惑，為您提供了一種簡單的方法。

根據電源開關電路的工作條件，我們應在電源開關電路中使用哪種半導體器件？

以H橋作為AC-DC轉換器的設計為例。直流母線電壓為370V，變壓器中的電流約為3A，開關的工作頻率為15至25kHz。出于安全原因，我們選擇一種能夠承受650V開關和至少30A的組件。我們沒有膠合邏輯，計劃使用硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT），硅超結（SJ），SiC或GaN器件。

100W輔助器件中SiC MOSFET的簡單示例電源

選擇使用哪種器件的方法是關注其工作條件。通過回答以下一系列問題來做出選擇：

·電路設計的開關頻率是否低于20kHz？

·功率水平是否高于3kW？

·如果低成本很重要，那么系統成本低嗎？

·由三相電網供電么？

如果以上任何一個答案為“是”，則最好的選擇是Si IGBT。

如果設計不符合這些條件，那么下一組問題將有助于縮小選擇范圍：

·開關頻率是否在20 kHz至100kHz之間？

·設計將在各種各樣的線路和負載條件下運行嗎？

·設計是否需要以適中的成本實現高效率？

·設計將由單相電網供電嗎？

如果設計滿足這些特性，那么最好的器件選擇是Si SJ MOSFET。

如果設計不符合這些標準，那么我們可以繼續選擇：

·開關頻率是否高于100kHz？

·設計將在各種各樣的線路和負載條件下運行嗎？

·數kw的功率嗎？需要高效率嗎？

·設計是否應允許功率雙向流動？

·是由三相電網提供嗎？

如果滿足這些條件，則最好的器件選擇是SiC MOSFET。

或者以下判斷標準：

·設計的開關頻率是否會高于100kHz且在MHz范圍內？

·它將在各種各樣的線路和負載條件下運行嗎？

·該設計是否應支持最大功率密度和效率的中等功率（最高數百瓦）？

·設計將由單相電網提供嗎？

如果設計確實滿足這些標準，則最好的選擇可能是GaN MOSFET。

根據目標應用選擇設備

同樣，我們可以通過一組標準來定義要使用的設備。通常，應圍繞Si IGBT設計驅動功率超過250W的電機驅動器，運行功率超過3kW的功率因數校正（PFC）電路，運行功率超過5kW的太陽能/風能逆變器以及UPS和H橋逆變器。

適用于AC-DC應用的中復雜度10kW六包PFC轉換器

對于工作在250W以下的電動機驅動器，工作在75W至3kW之間的DC-DC轉換器，中低功率PFC電路和LCC轉換器，正向轉換器電源，通用輸入AC-DC反激電路以及太陽能微逆變器應使用Si SJ MOSFET。

應該使用SiC MOSFET來構建更高功率的設計，例如以3kW以上的功率運行的PFC電路，以5kW以上的太陽能逆變器，一些電動汽車和車載充電器以及一些不間斷電源和嵌入式PFC電路。

雙向有源PFC轉換器，用于AC / DC應用，逆變器或電動汽車車載充電器

最后，應圍繞GaN MOSFET設計由單相電網供電，工作電壓低于650V，工作電壓在75W至750W之間，且需要小型，涼爽和便攜式的應用。

在設備的性能，成本，操作要求，尺寸，熱效率，可用性等之間，設計選擇之間總是需要權衡取舍。引入Sic和GaN技術可能會通過引入更多選項使探索這些折衷變得更加復雜，但是在某些應用中，它可以幫助您的設計更接近于完美。

審核編輯：黃飛

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