碳化硅(SiC)功率器件的開關(guān)性能比較

過(guò)去十年，碳化硅(SiC)功率器件因其在功率轉(zhuǎn)換器中的高功率密度和高效率而備受關(guān)注。制造商們已經(jīng)開始采用碳化硅技術(shù)來(lái)開發(fā)基于各種半導(dǎo)體器件的功率模塊，如雙極結(jié)晶體管(BJT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)以及現(xiàn)在的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。

在這些碳化硅功率器件的開關(guān)性能中，制造商通常需要在柵極驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性和所需性能之間進(jìn)行權(quán)衡，特別是對(duì)于碳化硅BJT和碳化硅JFET。然而，隨著碳化硅MOSFET的引入，開發(fā)人員能夠在保持最低柵極復(fù)雜性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)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，該公司認(rèn)為，從柵極驅(qū)動(dòng)的角度來(lái)看，碳化硅MOSFET的低跨導(dǎo)可能是一個(gè)問題。碳化硅MOSFET在高電壓、高頻率和開關(guān)性能方面具有最佳組合。它們是電壓控制的場(chǎng)效應(yīng)器件，能夠在更高的開關(guān)頻率下切換與IGBT相同電壓的負(fù)載，而這些頻率遠(yuǎn)高于低電壓的硅MOSFET。

丹麥技術(shù)大學(xué)的Riccardo Pittini、Zhe Zhang和Michael A.E. Andersen在其研究論文中基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)各種商用1200V硅和碳化硅功率器件的開關(guān)損耗進(jìn)行了分析。

該研究文章題為“商業(yè)SiC功率器件開關(guān)性能評(píng)估與柵極驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性的關(guān)系”，對(duì)如Si IGBT、SiC on-JFET、SiC off-JFET和SiC MOSFET等1200V功率器件的開關(guān)性能進(jìn)行了比較?？傮w而言，研究人員得出結(jié)論，對(duì)于基于SiC器件的設(shè)計(jì)，柵極驅(qū)動(dòng)成本對(duì)整體成本的影響最小，主要成本來(lái)自功率半導(dǎo)體本身。

碳化硅功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路

在半導(dǎo)體功率器件的設(shè)計(jì)中，選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)器非常重要。它可以影響SiC功率器件可能提供的性能提升。因此，每個(gè)功率半導(dǎo)體(SiC JFET、SiC MOSFET和SiC IGBT)都必須使用能突出器件性能的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)試。研究人員使用了兩種柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：一種是簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)器，它用兩個(gè)電壓等級(jí)驅(qū)動(dòng)測(cè)試器件;另一種是用于SiC off-JFET的更復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)器。

在上面的圖1中，我們可以看到簡(jiǎn)單柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接方式如下：

IGBT柵極驅(qū)動(dòng)：陽(yáng)極連接到控制器集成電路的輸入信號(hào)，而陰極接地。電源來(lái)自Vcc端口，電壓為+15V，然后通過(guò)一個(gè)電容連接到地(Vee)。輸出通過(guò)一個(gè)電阻Rg(2.5歐姆)取得，隨后連接到測(cè)試設(shè)計(jì)的晶體管(DUT)。

SiC on-JFET柵極驅(qū)動(dòng)：Vcc這里通過(guò)-15V電壓連接到地(Vee)。輸出也有電阻連接。

SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)：相同的電路，但在柵極驅(qū)動(dòng)功能圖的另一端有一些變化。Vcc電壓為+20V，而Vee電壓為-4V。

在上面的圖2中，我們可以看到用于碳化硅off-JFET的復(fù)雜柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些器件需要一個(gè)短的高電流脈沖來(lái)打開器件，并需要一個(gè)小的直流電流來(lái)維持低歐姆通道。該拓?fù)湫枰?V電壓來(lái)保持通常關(guān)閉的JFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，這通過(guò)一個(gè)12V電壓和一個(gè)120歐姆的柵極電阻產(chǎn)生。該解決方案的缺點(diǎn)是導(dǎo)通狀態(tài)的柵極電阻需要消耗少量功率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

主要研究比較了IGBT和通常打開的SiC JFET的開關(guān)性能，重點(diǎn)是無(wú)需更改柵極驅(qū)動(dòng)器即可通過(guò)SiC器件實(shí)現(xiàn)的性能改進(jìn)。在下面的圖3中可以看到，IGBT和on-JFET的導(dǎo)通損耗相似，在高電流水平下on-JFET的導(dǎo)通損耗略低。IGBT的關(guān)斷損耗高于on-JFET的關(guān)斷損耗。整體觀察表明，在相同的柵極驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性和無(wú)其他更改的情況下，on-JFET可以比IGBT減少大約40%的開關(guān)損耗。

同樣，研究人員調(diào)查了SiC off-JFET和SiC MOSFET的開關(guān)性能。SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗在所測(cè)電流范圍內(nèi)具有線性特性。JFET的導(dǎo)通損耗則呈指數(shù)行為。

兩種器件的關(guān)斷損耗相似，差異最小，以至于某些數(shù)值下兩條曲線幾乎重疊。總體觀察器件損耗顯示，適當(dāng)驅(qū)動(dòng)的SiC off-JFET相較于SiC MOSFET在不同電流水平下可減少高達(dá)33%的開關(guān)損耗。

所有測(cè)試器件的總開關(guān)損耗的最終比較圖表顯示，在低電流水平下，IGBT的開關(guān)性能與其他SiC器件的開關(guān)性能相差不大。還觀察到，SiC off-JFET提供了極低的損耗和快速的開關(guān)瞬變。

研究人員表示，對(duì)于通用應(yīng)用，引入使用優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)的SiC功率器件可以替代Si IGBT，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)換器和電壓、電流水平減少高達(dá)70%至80%的開關(guān)損耗。