碳化硅mosfet结构特征-应用优势与Si MOSFET对比分析

什么是碳化硅mosfet

在碳化硅mosfet的开发与应用方面，与相同功率等级的Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。

碳化硅mosfet结构

碳化硅mosfet（SiC MOSFET）N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式，在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在，需要非常特殊的栅介质生长方法。其沟槽星结构的优势如下：

碳化硅mosfet采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。

SiC MOSFET的优势

碳化硅mosfet的优势在哪里？硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。

碳化硅mosfet的应用

碳化硅mosfet模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。

三菱开发的EV马达驱动系统，使用SiC MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。

碳化硅mosfet分类

SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。成果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

碳化硅mosfet与其他相比

SiC材料与目前应该广泛的Si材料相比，较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。其优点主要可以概括为以下几点：

1) 高温工作

SiC在物理特性上拥有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV至3.3eV，几乎是Si材料的两倍以上。因此，SiC所能承受的温度更高，一般而言，SiC器件所能达到的最大工作温度可到600 oC。

2) 高阻断电压

与Si材料相比，SiC的击穿场强是Si的十倍多，因此SiC器件的阻断电压比Si器件高很多。

3) 低损耗

一般而言，半导体器件的导通损耗与其击穿场强成反比，故在相似的功率等级下，SiC器件的导通损耗比Si器件小很多。且SiC器件导通损耗对温度的依存度很小，SiC器件的导通损耗 随温度的变化很小，这与传统的Si器件也有很大差别。

4) 开关速度快

SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的频率下工作。

综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。

在碳化硅mosfet的开发与应用方面，与相同功率等级的Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。

碳化硅mosfet应用技术

1、碳化硅(SiC)MOSFET 建模

虽然碳化硅mosfet比传统的Si MOSFET有很多优点，但其昂贵的价格却限制了SiC MOSFET的广泛应用。近年来随着SiC技术的成熟，SiC MOSFET的价格已经有了显著的下降，应用范围也进一步扩展，在不久的将来必将成为新一代主流的低损耗功率器件。 在实际的工程应用及设计开发过程中，经常需要对SiC MOSFET的开关特性、静态特性及功率损耗进行分析，以便对整个系统的效率做有效的评估。因此，有必要建立一个精确的SiC MOSFET模型作为工程应用中系统分析和效率评估的基础。

2、碳化硅mosfet的驱动

由于SiC MOSFET器件特性与传统的Si MOSFET有较大差别，SiC MOSFET驱动电路也是一项研究的重点。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生电容更小。

综上所述，结合SiC MOSFET本身的特点及优势，其驱动电路的设计应满足以下要求：

1) 满足SiC MOSFET高速开关的要求，使用驱动能力较强的驱动芯片。

2) 尽量减小驱动电路寄生电感的影响，在PCB布局时应加入适量的吸收电容。

3) 为保证SiC MOSFET的可靠关断，避免噪声干扰可能导致的误开通，应采用负压关断。

3、双有源桥(DAB)研究及应用

双有源桥(DAB)作为大功率隔离双向DC-DC变换器的一种，其拓扑最早由DeDoncker于1988年提出DAB主要应用于HEV中蓄电池侧与高压直流母线之间的双向能量传输、航空电源系统及新能源系统中，与其他大功率隔离双向DC-DC变换器相比，DAB的最大优势是其功率密度大，且体积重量相对较小。

DAB结构对称，两边各由全桥结构的拓扑构成，可实现能量的双向传输，且能实现两侧的电气隔离。开关管应力较低，且没有额外的滤波电感，仅通过变压器的漏感作为能量传输单元，变换器可实现很高的功率密度。电流纹波不是很大，对输入输出侧的滤波电容的要求不是很高。DAB在一定功率范围内可以实现ZVS软开关，这样DAB的工作频率就可以设置得较高，可进一步减小变压器和滤波电容的体积，提高功率密度。

传统的DAB一般采用移相控制，其中φ为移相角，变压器原副边匝比设为n。当功率从VL流向VH时，开关管Q1、Q4超前Q5、Q8；当功率从VH流向VL时，开关管Q5、Q8超前Q1、Q4。但传统控制策略下的DAB有诸多问题，比如软开关范围窄、轻载时功率回流现象严重、电压输入范围窄等。

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