碳化硅(SiC)功率器件的开关性能比较

过去十年，碳化硅(SiC)功率器件因其在功率转换器中的高功率密度和高效率而备受关注。制造商们已经开始采用碳化硅威廉希尔官方网站 来开发基于各种半导体器件的功率模块，如双极结晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)以及现在的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

在这些碳化硅功率器件的开关性能中，制造商通常需要在栅极驱动复杂性和所需性能之间进行权衡，特别是对于碳化硅BJT和碳化硅JFET。然而，随着碳化硅MOSFET的引入，开发人员能够在保持最低栅极复杂性的同时实现高性能的功率器件。

一直基于碳化硅的MOSFET功率器件的主要制造商Onsemi，该公司认为，从栅极驱动的角度来看，碳化硅MOSFET的低跨导可能是一个问题。碳化硅MOSFET在高电压、高频率和开关性能方面具有最佳组合。它们是电压控制的场效应器件，能够在更高的开关频率下切换与IGBT相同电压的负载，而这些频率远高于低电压的硅MOSFET。

丹麦威廉希尔官方网站 大学的Riccardo Pittini、Zhe Zhang和Michael A.E. Andersen在其研究论文中基于实验结果对各种商用1200V硅和碳化硅功率器件的开关损耗进行了分析。

该研究文章题为“商业SiC功率器件开关性能评估与栅极驱动复杂性的关系”，对如Si IGBT、SiC on-JFET、SiC off-JFET和SiC MOSFET等1200V功率器件的开关性能进行了比较。总体而言，研究人员得出结论，对于基于SiC器件的设计，栅极驱动成本对整体成本的影响最小，主要成本来自功率半导体本身。

碳化硅功率器件的栅极驱动电路

在半导体功率器件的设计中，选择正确的栅极驱动器非常重要。它可以影响SiC功率器件可能提供的性能提升。因此，每个功率半导体(SiC JFET、SiC MOSFET和SiC IGBT)都必须使用能突出器件性能的驱动器进行测试。研究人员使用了两种栅极驱动拓扑结构：一种是简单的栅极驱动器，它用两个电压等级驱动测试器件;另一种是用于SiC off-JFET的更复杂的栅极驱动器。

在上面的图1中，我们可以看到简单栅极驱动拓扑结构的连接方式如下：

IGBT栅极驱动：阳极连接到控制器集成电路的输入信号，而阴极接地。电源来自Vcc端口，电压为+15V，然后通过一个电容连接到地(Vee)。输出通过一个电阻Rg(2.5欧姆)取得，随后连接到测试设计的晶体管(DUT)。

SiC on-JFET栅极驱动：Vcc这里通过-15V电压连接到地(Vee)。输出也有电阻连接。

SiC MOSFET栅极驱动：相同的电路，但在栅极驱动功能图的另一端有一些变化。Vcc电压为+20V，而Vee电压为-4V。

在上面的图2中，我们可以看到用于碳化硅off-JFET的复杂栅极驱动拓扑结构。这些器件需要一个短的高电流脉冲来打开器件，并需要一个小的直流电流来维持低欧姆通道。该拓扑需要2V电压来保持通常关闭的JFET处于导通状态，这通过一个12V电压和一个120欧姆的栅极电阻产生。该解决方案的缺点是导通状态的栅极电阻需要消耗少量功率。

实验结果和分析

主要研究比较了IGBT和通常打开的SiC JFET的开关性能，重点是无需更改栅极驱动器即可通过SiC器件实现的性能改进。在下面的图3中可以看到，IGBT和on-JFET的导通损耗相似，在高电流水平下on-JFET的导通损耗略低。IGBT的关断损耗高于on-JFET的关断损耗。整体观察表明，在相同的栅极驱动复杂性和无其他更改的情况下，on-JFET可以比IGBT减少大约40%的开关损耗。

同样，研究人员调查了SiC off-JFET和SiC MOSFET的开关性能。SiC MOSFET的导通损耗在所测电流范围内具有线性特性。JFET的导通损耗则呈指数行为。

两种器件的关断损耗相似，差异最小，以至于某些数值下两条曲线几乎重叠。总体观察器件损耗显示，适当驱动的SiC off-JFET相较于SiC MOSFET在不同电流水平下可减少高达33%的开关损耗。

所有测试器件的总开关损耗的最终比较图表显示，在低电流水平下，IGBT的开关性能与其他SiC器件的开关性能相差不大。还观察到，SiC off-JFET提供了极低的损耗和快速的开关瞬变。

研究人员表示，对于通用应用，引入使用优化栅极驱动的SiC功率器件可以替代Si IGBT，以实现根据转换器和电压、电流水平减少高达70%至80%的开关损耗。