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技术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)。

碳化硅功率器件

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。

丹麦技术大学的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。

图1：IGBT闸门驱动器、SIC-JFET闸门驱动器和SICMOSFET闸门驱动器

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。

图2:SIC-Jfet门驱动程序

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。

图3:所有设备的打开和关闭开关损失

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。

图4：所有设备开关损失总额的比较

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。