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功率轉換電路中的晶體管的作用非常重要，為進一步實現低損耗與應用尺寸小型化，一直在進行各種改良。SiC功率元器件半導體的優勢前面已經介紹過，如低損耗、高速開關、高溫工作等，顯而易見這些優勢是非常有用的。本章將通過其他功率晶體管的比較，進一步加深對SiC-MOSFET的理解。
SiC-MOSFET的特征
SiC-SBD的章節中也使用了類似的圖介紹了耐壓覆蓋范圍。本圖也同樣，通過與Si功率元器件的比較，來表示SiC-MOSFET的耐壓范圍。
目前SiC-MOSFET有用的范圍是耐壓600V以上、特別是1kV以上。關于優勢，現將1kV以上的產品與當前主流的Si-IGBT來比較一下看看。相對于IGBT，SiC-MOSFET降低了開關關斷時的損耗，實現了高頻率工作，有助于應用的小型化。相對于同等耐壓的SJ-MOSFET(超級結MOSFET)，導通電阻較小，可減少相同導通電阻的芯片面積，并顯著降低恢復損耗。
下表是600V～2000V耐壓的功率元器件的特征匯總。
雷達圖的RonA為單位面積的導通電阻(表示傳導時損耗的參數)，BV為元器件耐壓，Err為恢復損耗，Eoff為關斷開關的損耗。SiC已經很完美，在目前情況的比較中絕非高估。
下一篇將結合與SJ-MOSFET和IGBT的比較，更詳細地介紹SiC-MOSFET的特征。
功率晶體管的結構與特征比較
繼前篇內容，繼續進行各功率晶體管的比較。本篇比較結構和特征。
功率晶體管的結構與特征比較
下圖是各功率晶體管的結構、耐壓、導通電阻、開關速度的比較。
使用的工藝技術不同結構也不同，因而電氣特征也不同。補充說明一下，DMOS是平面型的MOSFET，是常見的結構。Si的功率MOSFET，因其高耐壓且可降低導通電阻，近年來超級結(Super Junction)結構的MOSFET(以下簡稱“SJ-MOSFET”)應用越來越廣泛。關于SiC-MOSFET，這里給出了DMOS結構，不過目前ROHM已經開始量產特性更優異的溝槽式結構的SiC-MOSFET。具體情況計劃后續進行介紹。
在特征方面，Si-DMOS存在導通電阻方面的課題，如前所述通過采用SJ-MOSFET結構來改善導通電阻。IGBT在導通電阻和耐壓方面表現優異，但存在開關速度方面的課題。SiC-DMOS在耐壓、導通電阻、開關速度方面表現都很優異，而且在高溫條件下的工作也表現良好，可以說是具有極大優勢的開關元件。
這張圖是各晶體管標準化的導通電阻和耐壓圖表。從圖中可以看出，理論上SiC-DMOS的耐壓能力更高，可制作低導通電阻的晶體管。目前SiC-DMOS的特性現狀是用橢圓圍起來的范圍。通過未來的發展，性能有望進一步提升。
從下一篇開始，將單獨介紹與SiC-MOSFET的比較。
SiC-MOSFET-與Si-MOSFET的區別
從本文開始，將逐一進行SiC-MOSFET與其他功率晶體管的比較。
本文將介紹與Si-MOSFET的區別。尚未使用過SiC-MOSFET的人，與其詳細研究每個參數，不如先弄清楚驅動方法等與Si-MOSFET有怎樣的區別。在這里介紹SiC-MOSFET的驅動與Si-MOSFET的比較中應該注意的兩個關鍵要點。
與Si-MOSFET的區別：驅動電壓
SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅動電壓即柵極-源極間電壓Vgs越高導通電阻越低的特性。下圖表示SiC-MOSFET的導通電阻與Vgs的關系。
導通電阻從Vgs為20V左右開始變化(下降)逐漸減少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅動電壓為Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建議在Vgs=18V前后驅動，以充分獲得低導通電阻。也就是說，兩者的區別之一是驅動電壓要比Si-MOSFET高。與Si-MOSFET進行替換時，還需要探討柵極驅動器電路。
與Si-MOSFET的區別：內部柵極電阻
SiC-MOSFET元件本身(芯片)的內部柵極電阻Rg依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸。如果是相同設計，則與芯片尺寸成反比，芯片越小柵極電阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此柵極電容小，但內部柵極電阻增大。例如，1200V 80mΩ產品(S2301為裸芯片產品)的內部柵極電阻約為6.3Ω。
這不僅局限于SiC-MOSFET，MOSFET的開關時間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值。SiC-MOSFET的內部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此要想實現高速開關，需要使外置柵極電阻盡量小，小到幾Ω左右。
但是，外置柵極電阻還承擔著對抗施加于柵極的浪涌的任務，因此必須注意與浪涌保護之間的良好平衡。
與IGBT的區別
上一章針對與Si-MOSFET的區別，介紹了關于SiC-MOSFET驅動方法的兩個關鍵要點。本章將針對與IGBT的區別進行介紹。
與IGBT的區別：Vd-Id特性
Vd-Id特性是晶體管最基本的特性之一。下面是25℃和150℃時的Vd-Id特性。
請看25℃時的特性圖表。SiC及Si MOSFET的Id相對Vd(Vds)呈線性增加，但由于IGBT有上升電壓，因此在低電流范圍MOSFET元器件的Vds更低(對于IGBT來說是集電極電流、集電極-發射極間電壓)。不言而喻，Vd-Id特性也是導通電阻特性。根據歐姆定律，相對Id，Vd越低導通電阻越小，特性曲線的斜率越陡，導通電阻越低。
IGBT的低Vd(或低Id)范圍(在本例中是Vd到1V左右的范圍)，在IGBT中是可忽略不計的范圍。這在高電壓大電流應用中不會構成問題，但當用電設備的電力需求從低功率到高功率范圍較寬時，低功率范圍的效率并不高。
相比之下，SiC MOSFET可在更寬的范圍內保持低導通電阻。
此外，可以看到，與150℃時的Si MOSFET特性相比，SiC、Si-MOSFET的特性曲線斜率均放緩，因而導通電阻增加。但是，SiC-MOSFET在25℃時的變動很小，在25℃環境下特性相近的產品，差距變大，溫度增高時SiC MOSFET的導通電阻變化較小。
與IGBT的區別：關斷損耗特性
前面多次提到過，SiC功率元器件的開關特性優異，可處理大功率并高速開關。在此具體就與IGBT開關損耗特性的區別進行說明。
眾所周知，當IGBT的開關OFF時，會流過元器件結構引起的尾(tail)電流，因此開關損耗增加是IGBT的基本特性。
比較開關OFF時的波形可以看到，SiC-MOSFET原理上不流過尾電流，因此相應的開關損耗非常小。在本例中，SiC-MOSFET+SBD(肖特基勢壘二極管)的組合與IGBT+FRD(快速恢復二極管)的關斷損耗Eoff相比，降低了88%。
還有重要的一點是IGBT的尾電流隨溫度升高而增加。順便提一下，SiC-MOSFET的高速驅動需要適當調整外置的柵極電阻Rg。這在前文“與Si-MOSFET的區別”中也提到過。
與IGBT的區別：導通損耗特性
接下來看開關導通時的損耗。
IGBT在開關導通時，流過Ic(藍色曲線)用紅色虛線圈起來部分的電流。這多半是二極管的恢復電流帶來的，是開關導通時的一大損耗。請記住：在并聯使用SiC-SBC時，加上恢復特性的快速性，MOSFET開關導通時的損耗減少;FRD成對時的開關導通損耗與IGBT的尾電流一樣隨溫度升高而增加。
總之，關于開關損耗特性可以明確的是：SiC-MOSFET優于IGBT。
另外，這里提供的數據是在ROHM試驗環境下的結果。驅動電路等條件不同，結果也可能不同。
體二極管的特性
上一章介紹了與IGBT的區別。本章將對SiC-MOSFET的體二極管的正向特性與反向恢復特性進行說明。
如圖所示，MOSFET(不局限于SiC-MOSFET)在漏極-源極間存在體二極管。從MOSFET的結構上講，體二極管是由源極-漏極間的pn結形成的，也被稱為“寄生二極管”或“內部二極管”。對于MOSFET來說，體二極管的性能是重要的參數之一，在應用中使用時，其性能發揮著至關重要的作用。
SiC-MOSFET體二極管的正向特性
下圖表示SiC-MOSFET的Vds-Id特性。在SiC-MOSFET中，以源極為基準向漏極施加負電壓，體二極管為正向偏置狀態。該圖中Vgs=0V的綠色曲線基本上表示出體二極管的Vf特性，。Vgs為0V即MOSFET在關斷狀態下，沒有通道電流，因此該條件下的Vd-Id特性可以說是體二極管的Vf-If特性。如“何謂碳化硅”中提到的，SiC的帶隙更寬，Vf比Si-MOSFET大得多。
而在給柵極-源極間施加18V電壓、SiC-MOSFET導通的條件下，電阻更小的通道部分(而非體二極管部分)流過的電流占支配低位。為方便從結構角度理解各種狀態，下面還給出了MOSFET的截面圖。
SiC-MOSFET體二極管的反向恢復特性
MOSFET體二極管的另一個重要特性是反向恢復時間(trr)。trr是二極管開關特性相關的重要參數這一點在SiC肖特基勢壘二極管一文中也已說明過。不言而喻，MOSFET的體二極管是具有pn結的二極管，因而存在反向恢復現象，其特性表現為反向恢復時間(trr)。下面是1000V耐壓的Si-MOSFET和SiC-MOSFET SCT2080KE的trr特性比較。
如圖所示，示例的Si-MOSFET的trr較慢，流過較大的Irr。而SiC-MOSFET SCT2080KE的體二極管速度則非常快。trr、Irr均為幾乎可忽略的水平，恢復損耗Err已經大幅降低。
SiC-MOSFET的應用實例
本章將介紹部分SiC-MOSFET的應用實例。其中也包括一些以前的信息和原型級別的內容，總之希望通過這些介紹能幫助大家認識采用SiC-MOSFET的好處以及可實現的新功能。另外，除了SiC-MOSFET，還可以從這里了解SiC-SBD、全SiC模塊的應用實例。
下面是演示機，是與功率Power Assist Technology Ltd.聯合制作的。
全橋式逆變器部分使用了3種晶體管(Si IGBT、第二代SiC-MOSFET、上一章介紹的第三代溝槽結構SiC-MOSFET)，組成相同尺寸的移相DCDC轉換器，就是用來比較各產品效率的演示機。
首先，在SiC-MOSFET的組成中，發揮了開關性能的優勢實現了Si IGBT很難實現的100kHz高頻工作和功率提升。另外，第二代(2G)SiC-MOSFET中，由2個晶體管并聯組成了1個開關，但由于第三代(3G)SiC-MOSFET導通電阻更低，晶體管數得以從8個減少到4個。關于效率，采用第三代(3G)SiC-MOSFET時的結果最理想，無論哪種SiC-MOSFET的效率均超過Si IGBT。
SiC-MOSFET應用實例2：脈沖電源
脈沖電源是在短時間內瞬時供電的系統，應用例有氣體激光器、加速器、X射線、等離子電源等。作為現有的解決方案有晶閘管等真空管和Si開關，但市場需要更高耐壓更高速的開關。針對這種市場需求，利用SiC的高耐壓和高速性能，實現了超高電壓高速開關。從高速性的角度看這是Si IGBT很難實現的。下例是與福島SiC應用技研株式會社、株式會社京都New-Tronics、國立研究開發法人科學技術振興機構合作開發，在CEATEC 2014、TECHNO-FRONTIER2015展出的產品。
?超高壓脈沖電源
特征
?超高耐壓偽N通道
SiC MOSFET
?低導通電阻
(以往產品的1/100以下)
?高重復頻率
應用例
?荷電粒子加速器
?醫療用設備電源
?等離子發生器等
?1～10kV隨機脈沖發生器：13.2kV SiC開關
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審核編輯：湯梓紅
工商網監
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