基于SIC的MOS、硅MOS和IGBT的特性對(duì)比
1：高工作頻率：傳統(tǒng)MOSFET工作頻率在60KHZ左右，而碳化硅MOSFET在1MHZ
用途：高頻工作，可以減小電源系統(tǒng)中電容以及電感或變壓器的體積，降低電源成本，讓電源實(shí)現(xiàn)小型化，美觀化。從而實(shí)現(xiàn)電源的升級(jí)換代。
2：低導(dǎo)通阻抗，碳化硅MOSFET單管最小內(nèi)阻可以達(dá)到15毫歐，這對(duì)于傳統(tǒng)的MOSFET看來(lái)是不可想象的。
用途：輕松達(dá)到能效要求，減少散熱片使用，降低電源體積和重量，電源溫度更低，可靠性更高。
3：耐壓高，碳化硅MOSFET目前量產(chǎn)的耐壓可達(dá)3300V，一般MOSFET耐壓900V,IGBT常見(jiàn)耐壓1200V.
4:耐高溫，碳化硅MOSFET芯片結(jié)溫可達(dá)300度，可靠性，穩(wěn)定性大大高于傳統(tǒng)MOSFET
綜上所述：使用碳化硅MOSFET可以讓電源實(shí)現(xiàn)高效率，小體積，在一些高溫，高壓環(huán)境，必用不可。
AST品牌碳化硅MOSFET采用6寸工藝，已批量供貨，電流：10A-100A,電壓：650V-3300V全系列產(chǎn)品。
一、 碳化硅mos的特性
1、導(dǎo)通電阻隨溫度變化率較小，高溫情況下導(dǎo)通阻抗很低，能在惡劣的環(huán)境下很好的工作。
2、隨著門極電壓的升高，導(dǎo)通電阻越小，表現(xiàn)更接近于壓控電阻。
3、開(kāi)通需要門極電荷較小，總體驅(qū)動(dòng)功率較低，其體二極管Vf較高，但反向恢復(fù)性很好，可以降低開(kāi)通損耗。
4、具有更小的結(jié)電容，關(guān)斷速度較快，關(guān)斷損耗更小。
5、開(kāi)關(guān)損耗小，可以進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得濾波器等無(wú)源器件小型化，提高功率密度。
6、開(kāi)通電壓高于高于SI器件，推薦使用Vgs為18V或者20V，雖然開(kāi)啟電壓只有2.7V，但只有驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到18V～20V時(shí)才能完全開(kāi)通。
7、誤觸發(fā)耐性稍差，需要有源鉗位電路或者施加負(fù)電壓防止其誤觸發(fā)。
二、 碳化硅mos對(duì)比硅mos的11大優(yōu)勢(shì)
1. SiC器件的結(jié)構(gòu)和特征
Si材料中，越是高耐壓器件其單位面積的導(dǎo)通電阻就越大(通常以耐壓值的大概2-2.5次方的比例增加)，因此600V以上的電壓中主要采用IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)。IGBT通過(guò)電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比MOSFET還要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開(kāi)關(guān)損耗。
SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的MOSFET實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻抗。而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用SiC MOSFET替代IGBT時(shí)，能夠明顯地減少開(kāi)關(guān)損耗，并且實(shí)現(xiàn)散熱部件的小型化。另外，SiC MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅(qū)動(dòng)，從而也可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)器件的小型化。與600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于芯片面積小(可以實(shí)現(xiàn)小型封裝)，而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。
2. SiC Mosfet的導(dǎo)通電阻
SiC 的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si 的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實(shí)現(xiàn)高耐壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，SiC 可以得到標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻(單位面積導(dǎo)通電阻)更低的器件。例如900V時(shí)，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。不僅能夠以小封裝實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。目前SiC 器件能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實(shí)現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒(méi)有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)(導(dǎo)通電阻變低，則開(kāi)關(guān)速度變慢) ，就可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開(kāi)關(guān)等各優(yōu)點(diǎn)兼?zhèn)涞钠骷?
3. Vd-Id特性
SiC‐MOSFET 與IGBT 不同，不存在開(kāi)啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。而Si MOSFET 在150℃時(shí)導(dǎo)通電阻上升為室溫條件下的2 倍以上，與Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設(shè)計(jì)，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。
4. 驅(qū)動(dòng)門極電壓和導(dǎo)通電阻
SiC‐MOSFET 的漂移層阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，SiC MOSFET的MOS 溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導(dǎo)通電阻(Vgs=20V 以上則逐漸飽和)。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驅(qū)動(dòng)電壓Vgs=10～15V 的話，不能發(fā)揮出SiC 本來(lái)的低導(dǎo)通電阻的性能，所以為了得到充分的低導(dǎo)通電阻，推薦使用Vgs=18V左右進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。Vgs=13V 以下的話，有可能發(fā)生熱失控，請(qǐng)注意不要使用。
5. Vg-Id特性
SiC MOSFET 的閾值電壓在數(shù)mA 的情況下定義的話，與Si‐MOSFET 相當(dāng)，室溫下大約3V(常閉)。但是，如果流通幾個(gè)安培電流的話，需要的門極電壓在室溫下約為8V 以上，所以可以認(rèn)為針對(duì)誤觸發(fā)的耐性與IGBT 相當(dāng)。溫度越高，閾值電壓越低。
6. Turn-On特性
SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度與Si IGBT 和Si MOSFET 相當(dāng)，大約幾十ns。但是在感性負(fù)載開(kāi)關(guān)的情況下，由通往上臂二極管的回流產(chǎn)生的恢復(fù)電流也流過(guò)下臂，由于各二極管性能的偏差，從而產(chǎn)生很大的損耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的體二極管的通常恢復(fù)電流非常大，會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，而且在高溫下該損耗有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。與此相反，SiC二極管不受溫度影響，可以快速恢復(fù)，SiC MOSFET 的體二極管雖然Vf 較高但是與碳化硅二極管相同，具有相當(dāng)?shù)目焖倩謴?fù)性能。通過(guò)這些快速恢復(fù)性能，可以減少Turn‐on 損耗(Eon)好幾成。開(kāi)關(guān)速度極大程度上決定于外部的門極電阻Rg。為了實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作，推薦使用幾Ω左右的低阻值門極電阻。另外還需要考慮到浪涌電壓，選擇合適的門極電阻。
7. Turn-Off特性
SiC MOSFET 的最大特點(diǎn)是原理上不會(huì)產(chǎn)生如IGBT中經(jīng)常見(jiàn)到的尾電流。SiC 即使在1200V 以上的耐壓值時(shí)也可以采用快速的MOSFET 結(jié)構(gòu)，所以，與IGBT 相比，Turn‐off 損耗(Eoff)可以減少約90%，有利于電路的節(jié)能和散熱設(shè)備的簡(jiǎn)化、小型化。而且，IGBT 的尾電流會(huì)隨著溫度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 幾乎不受溫度的影響。另外，由于較大的開(kāi)關(guān)損耗引起的發(fā)熱會(huì)致使結(jié)點(diǎn)溫度(Tj)超過(guò)額定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高頻區(qū)域內(nèi)使用，但SiC MOSFET 由于Eoff 很小，所以可以進(jìn)行50KHz 以上的高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作。通過(guò)高頻化，可以使濾波器等被動(dòng)器件小型化。
8. 內(nèi)部門極電阻
芯片內(nèi)部門極電阻與門極電極材料的薄層阻抗和芯片尺寸相關(guān)。如果是相同的設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)部門極電阻與芯片尺寸呈反比例，芯片尺寸越小，門極電阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器件小，雖然結(jié)電容更小，但是同時(shí)門極電阻也就更大。
9. 門極驅(qū)動(dòng)電路
SiC MOSFET 是一種易于驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)功率較少的常閉型、電壓驅(qū)動(dòng)型的開(kāi)關(guān)器件。基本的驅(qū)動(dòng)方法和IGBT 以及Si MOSFET一樣。推薦的驅(qū)動(dòng)門極電壓，ON 側(cè)時(shí)為+18V 左右，OFF 側(cè)時(shí)為0V。在要求高抗干擾性和快速開(kāi)關(guān)的情況下，也可以施加‐3～‐5V 左右的負(fù)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)大電流器件和功率模塊時(shí)，推薦采用緩沖電路。
10. 體二極管的 Vf 和逆向?qū)?
與Si MOSFET 一樣，SiC MOSFET體內(nèi)也存在因PN結(jié)而形成的體二極管(寄生二極管)。但是由于SiC的帶隙是Si的3倍，所以SiC MOSFET的PN二極管的開(kāi)啟電壓大概是3V左右，比較大，而且正向壓降(Vf)也比較高。以往，當(dāng)Si MOSFET外置回流用的快速二極管時(shí)，由于體二極管和外置二極管的Vf大小相等，為了防止朝向恢復(fù)慢的體二極管側(cè)回流，必須在MOSFET上串聯(lián)低電壓阻斷二極管，這樣的話，既增加了器件數(shù)量，也使導(dǎo)通損耗進(jìn)一步惡化。然而，SiC MOSFET的體二極管的Vf 比回流用的快速二極管的Vf還要高出很多，所以當(dāng)逆向并聯(lián)外置二極管時(shí)，不需要串聯(lián)低壓阻斷二極管。
體二極管的Vf比較高，這一問(wèn)題可以通過(guò)如同整流一樣向門極輸入導(dǎo)通信號(hào)使其逆向?qū)▉?lái)降低。逆變驅(qū)動(dòng)時(shí)，回流側(cè)的臂上多數(shù)是在死區(qū)時(shí)間結(jié)束之后輸入門極導(dǎo)通信號(hào)(請(qǐng)確認(rèn)使用中的CPU的動(dòng)作)，體二極管的通電只在死區(qū)時(shí)間期間發(fā)生，之后基本上是經(jīng)由溝道逆向流過(guò)。因此，即使在只由MOSFET(無(wú)逆向并聯(lián)的SBD)構(gòu)成的橋式電路中，體二極管的Vf較高也沒(méi)有問(wèn)題。
11. 體二極管的恢復(fù)特性
SiC MOSFET的體二極管雖然是PN 二極管，但是少數(shù)載流子壽命較短，所以基本上沒(méi)有出現(xiàn)少數(shù)載流子的積聚效果，與SBD 一樣具有超快速恢復(fù)性能(幾十ns)。因此Si MOSFET的體二極管與IGBT外置的FRD相比，其恢復(fù)損耗可以減少到IGBT外置的FRD的幾分之一到幾十分之一。體二極管的恢復(fù)時(shí)間與SBD相同，是恒定的，不受正向輸入電流If的影響(dI/dt 恒定的情況下)。在逆變器應(yīng)用中，即使只由MOSFET 構(gòu)成橋式電路，也能夠?qū)崿F(xiàn)非常小的恢復(fù)損耗，同時(shí)還預(yù)期可以減少因恢復(fù)電流而產(chǎn)生的噪音，達(dá)到降噪。
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