碳化硅（SiC）MOS与超结（SJ）MOS和IGBT的性能及应用和器件选型方法

DT半导体材料 2024-03-18 18:47

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整个电力半导体器件中变化最大的就是功率MOSFET，其中，硅基器件中SJ MOSFET器件和IGBT器件在结构和工艺技术得到了较深的发展。SJ（超结）MOSFET采用基于电荷平衡的器件结构，导通电阻明显下降，在高压应用时优势尤其突出。但是，以宽禁带半导体（碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））形式出现的新材料技术正在提供可改善电路设计人员选择的选择，特性更接近理想的开关。

半导体材料发展路径（数据来源：浙商证券研究所）

工程师在性能、成本、操作、尺寸、热效率和可用性之间进行设计抉择时需要权衡取舍。

一. 碳化硅MOS器件

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。相比传统的硅材料（Si），碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经开始商业化应用。

碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

不同半导体材料性能对比

二. 超结(SJ)MOS器件

Si-MOSFET根据制造工艺可分为平面栅极MOSFET和超结MOSFET。平面栅极MOSFET在提高额定电压时，漂移层会变厚，导致导通电阻增加的问题。而超结MOSFET通过在D端和S端排列多个垂直pn结的结构来解决这个问题，实现了在保持高电压的同时降低导通电阻。

超结MOSFET的优势在于其具有高耐压和低电阻的特点。相较于普通高压VDMOS，超结MOSFET的导通电阻远小，适用于高能效和高功率密度的快速开关应用。此外，超结MOSFET的额定电压越高，导通电阻的下降越明显，使其在中低功率水平下的高速运行非常适合。

超结MOSFET的制造工艺相较于常规MOSFET更加复杂，主要体现在沟槽的填充外延制造方法上。超级结MOSFET通过使沟槽和沟槽间距尽可能小和深，设计具有较低电阻的N层，实现了低导通电阻产品。

【超级结中，trr比平面MOSFET快，irr电流更大】

超结MOSFET相较于平面MOSFET具有更大的pn结面积，因此在内部二极管的反向电流和反向恢复时间方面存在一些问题。虽然超结MOSFET的trr比平面MOSFET快，但irr电流更大。以下是Si-MOSFET的常规制造工艺和超结制造工艺的对比：

【常规MOS制造工艺】

【超级结的沟槽填充外延制造方法】

此外，Si-MOSFET还与其他器件进行了功率和频率的比较，如IGBT、碳化硅MOS、平面/超结MOS等。

【IGBT、碳化硅MOS、平面/超结MOS的功率和频率比较】

以下是SJ-MOSFET的一些关键特点和优势：

高耐压：SJ-MOSFET具有高额定电压，能够在高压环境下稳定工作。

低导通电阻：SJ-MOSFET的导通电阻远小于传统平面MOSFET，能够提供更高的效率和功率密度。

高速开关：SJ-MOSFET的超级结结构使其具有快速开关特性，适用于高频率应用。

可靠性：SJ-MOSFET的产品质量可靠，性能稳定，适用于各种严苛的工作环境。

三. IGBT器件

IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由（BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有（MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（GTR）的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；（因为Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN结材料和厚度有关））MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。（因为MOS管有Rds，如果Ids比较大，就会导致Vds很大）

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT最主要的作用就是把高压直流变为交流，以及变频（所以用在电动车上比较多）。

IGBT有N沟道型和P沟道型两种，主流的N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路如下：

所以整个过程就很简单：

当栅极G为高电平时，NMOS导通，所以PNP的CE也导通，电流从CE流过。

当栅极G为低电平时，NMOS截止，所以PNP的CE截止，没有电流流过。

IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。

IGBT的优缺点

优点：

1、具有更高的电压和电流处理能力。

2、极高的输入阻抗。

3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。

4、电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。

5、栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求

6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。

7、具有非常低的导通电阻。

8、具有高电流密度，使其能够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 更高的开关速度。

11、可以使用低控制电压切换高电流电平。

12、双极性质，增强了传导性。

13、安全可靠。

缺点：

1、开关速度低于 MOS管。

2、因为是单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。

3、不能阻挡更高的反向电压。

4、比 BJT 和 MOS管价格更高。

5、类似于晶闸管的P-N-P-N结构，因此它存在锁存问题

IGBT的主要参数：

1、集电极-发射极额定电压UCES是IGBT在截止状态下集电极与发射极之间能够承受的最大电压，一般UCES小于或等于器件的雪崩击穿电压。

2、栅极-发射极额定电压UGE是IGBT栅极与发射极之间允许施加的最大电压，通常为20V。栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，其电压不可超过UGE。

3、集电极额定电流IC是IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流。

4、集电极-发射极饱和电压UCE是IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。该值越小，则管子的功率损耗越小。

5、开关频率在IGBT的使用说明书中，开关频率是以开通时间tON、下降时间t1和关断时间tOFF给出的，根据这些参数可估算出IGBT的开关频率，一般可达30～40kHz。在变频器中，实际使用的载波频率大多在15kHz以下。

IGBT如何选型：

1、IGBT额定电压的选择三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。

2、IGBT额定电流的选择以30kW变频器为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，择最大负载电流约为119A ，建议选择150A电流等级的IGBT。

3、IGBT开关参数的选择变频器的开关频率一般小于10kHZ，而在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT。

四. 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

上表为Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件的静态参数，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

如下图所示为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。

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

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。如上表可以看到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

五、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：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）。

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

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、图 11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

六. 器件的选择

如果您对在不同类型的半导体器件和材料之间进行选择感到困惑，为您提供了一种简单的方法。

根据电源开关电路的工作条件，我们应在电源开关电路中使用哪种半导体器件？

以H桥作为AC-DC转换器的设计为例。直流母线电压为370V，变压器中的电流约为3A，开关的工作频率为15至25kHz。出于安全原因，我们选择一种能够承受650V开关和至少30A的组件。我们没有胶合逻辑，计划使用硅绝缘栅双极晶体管（IGBT），硅超结（SJ），SiC或GaN器件。

100W辅助器件中SiC MOSFET的简单示例电源

选择使用哪种器件的方法是关注其工作条件。通过回答以下一系列问题来做出选择：

·电路设计的开关频率是否低于20kHz？

·功率水平是否高于3kW？

·如果低成本很重要，那么系统成本低吗？

·由三相电网供电么？

如果以上任何一个答案为“是”，则最好的选择是Si IGBT。

如果设计不符合这些条件，那么下一组问题将有助于缩小选择范围：

·开关频率是否在20 kHz至100kHz之间？

·设计将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？

·设计是否需要以适中的成本实现高效率？

·设计将由单相电网供电吗？

如果设计满足这些特性，那么最好的器件选择是Si SJ MOSFET。

如果设计不符合这些标准，那么我们可以继续选择：

·开关频率是否高于100kHz？

·设计将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？

·数kw的功率吗？需要高效率吗？

·设计是否应允许功率双向流动？

·是由三相电网提供吗？

如果满足这些条件，则最好的器件选择是SiC MOSFET。

或者以下判断标准：

·设计的开关频率是否会高于100kHz且在MHz范围内？

·它将在各种各样的线路和负载条件下运行吗？

·该设计是否应支持最大功率密度和效率的中等功率（最高数百瓦）？

·设计将由单相电网提供吗？

如果设计确实满足这些标准，则最好的选择可能是GaN MOSFET。

根据目标应用选择设备

同样，我们可以通过一组标准来定义要使用的设备。通常，应围绕Si IGBT设计驱动功率超过250W的电机驱动器，运行功率超过3kW的功率因数校正（PFC）电路，运行功率超过5kW的太阳能/风能逆变器以及UPS和H桥逆变器。

适用于AC-DC应用的中复杂度10kW六包PFC转换器

对于工作在250W以下的电动机驱动器，工作在75W至3kW之间的DC-DC转换器，中低功率PFC电路和LCC转换器，正向转换器电源，通用输入AC-DC反激电路以及太阳能微逆变器应使用Si SJ MOSFET。

应该使用SiC MOSFET来构建更高功率的设计，例如以3kW以上的功率运行的PFC电路，以5kW以上的太阳能逆变器，一些电动汽车和车载充电器以及一些不间断电源和嵌入式PFC电路。

双向有源PFC转换器，用于AC / DC应用，逆变器或电动汽车车载充电器

最后，应围绕GaN MOSFET设计由单相电网供电，工作电压低于650V，工作电压在75W至750W之间，且需要小型，凉爽和便携式的应用。

在设备的性能，成本，操作要求，尺寸，热效率，可用性等之间，设计选择之间总是需要权衡取舍。引入Sic和GaN技术可能会通过引入更多选项使探索这些折衷变得更加复杂，但是在某些应用中，它可以帮助您的设计更接近于完美。

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