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碳化硅（SiC)MOS与超结(SJ)MOS和IGBT的性能及应用和器件选型方法

芯长征科技 · 公众号 · · 2024-04-08 10:01

正文

整个电力半导体器件中变化最大的就是功率MOSFET，其中，硅基器件中SJ MOSFET器件和IGBT器件在结构和工艺技术得到了较深的发展。SJ（超结）MOSFET采用基于电荷平衡的器件结构，导通电阻明显下降，在高压应用时优势尤其突出。但是，以宽禁带半导体（碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））形式出现的新材料技术正在提供可改善电路设计人员选择的选择，特性更接近理想的开关。

半导体材料发展路径（数据来源：浙商证券研究所）

工程师在性能、成本、操作、尺寸、热效率和可用性之间进行设计抉择时需要权衡取舍。

一. 碳化硅MOS器件

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。相比传统的硅材料（Si），碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍，满足了现代工业对高功率，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经开始商业化应用。

碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

耐高温。 碳化硅的禁带宽度是硅的2-3倍，在高温下电子不易发生跃迁，可耐受更高的工作温度，且碳化硅的热导率是硅的4-5倍，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以显著提升功率密度，同时降低对散热系统的要求，使终端更加轻量和小型化。
耐高压。 碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，能够耐受更高的电压，更适用于高电压器件。
耐高频。 碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，导致其器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高器件的开关频率，实现器件小型化。
低能量损耗。 碳化硅相较于硅材料具有极低的导通电阻，导通损耗低；同时，碳化硅的高禁带宽度大幅减少泄漏电流，功率损耗降低；此外，碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低。

不同半导体材料性能对比

二. 超结(SJ)MOS器件

Si-MOSFET根据制造工艺可分为平面栅极MOSFET和超结MOSFET。平面栅极MOSFET在提高额定电压时，漂移层会变厚，导致导通电阻增加的问题。而超结MOSFET通过在D端和S端排列多个垂直pn结的结构来解决这个问题，实现了在保持高电压的同时降低导通电阻。

超结MOSFET的优势在于其具有高耐压和低电阻的特点。相较于普通高压VDMOS，超结MOSFET的导通电阻远小，适用于高能效和高功率密度的快速开关应用。此外，超结MOSFET的额定电压越高，导通电阻的下降越明显，使其在中低功率水平下的高速运行非常适合。

超结MOSFET相较于平面MOSFET具有更大的pn结面积，因此在内部二极管的反向电流和反向恢复时间方面存在一些问题。虽然超结MOSFET的trr比平面MOSFET快，但irr电流更大。

以下是Si-MOSFET的常规制造工艺和超结制造工艺的对比：

以下是SJ-MOSFET的一些关键特点和优势：

高耐压：SJ-MOSFET具有高额定电压，能够在高压环境下稳定工作。

低导通电阻：SJ-MOSFET的导通电阻远小于传统平面MOSFET，能够提供更高的效率和功率密度。

高速开关：SJ-MOSFET的超级结结构使其具有快速开关特性，适用于高频率应用。

可靠性：SJ-MOSFET的产品质量可靠，性能稳定，适用于各种严苛的工作环境。

IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由（BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有（MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（GTR）的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；（因为Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN结材料和厚度有关））MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。（因为MOS管有Rds，如果Ids比较大，就会导致Vds很大）

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT最主要的作用就是把高压直流变为交流，以及变频（所以用在电动车上比较多）。

IGBT有N沟道型和P沟道型两种，主流的N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路如下：

所以整个过程就很简单：

当栅极G为高电平时，NMOS导通，所以PNP的CE也导通，电流从CE流过。

当栅极G为低电平时，NMOS截止，所以PNP的CE截止，没有电流流过。

IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。

IGBT的优缺点

优点：

1、具有更高的电压和电流处理能力。

2、极高的输入阻抗。

3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。

4、电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。

5、栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求

6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。

7、具有非常低的导通电阻。

8、具有高电流密度，使其能够具有更小的芯片尺寸。

9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。10、具有比 BJT 更高的开关速度。

11、可以使用低控制电压切换高电流电平。

12、双极性质，增强了传导性。

13、安全可靠。

缺点：

1、开关速度低于 MOS管。

2、因为是单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。

3、不能阻挡更高的反向电压。

4、比 BJT 和 MOS管价格更高。

5、类似于晶闸管的P-N-P-N结构，因此它存在锁存问题

IGBT的主要参数：

1、集电极-发射极额定电压UCES是IGBT在截止状态下集电极与发射极之间能够承受的最大电压，一般UCES小于或等于器件的雪崩击穿电压。

2、栅极-发射极额定电压UGE是IGBT栅极与发射极之间允许施加的最大电压，通常为20V。栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，其电压不可超过UGE。

3、集电极额定电流IC是IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流。

4、集电极-发射极饱和电压UCE是IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。该值越小，则管子的功率损耗越小。

5、开关频率在IGBT的使用说明书中，开关频率是以开通时间tON、下降时间t1和关断时间tOFF给出的，根据这些参数可估算出IGBT的开关频率，一般可达30～40kHz。在变频器中，实际使用的载波频率大多在15kHz以下。

IGBT如何选型：

1、IGBT额定电压的选择三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。

2、IGBT额定电流的选择以30kW变频器为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，择最大负载电流约为119A ，建议选择150A电流等级的IGBT。

3、IGBT开关参数的选择变频器的开关频率一般小于10kHZ，而在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT。

1.1静态特性

表1：Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件参数

表1为Si SJ-MOSFET和SiC MOSFET器件的静态参数，图1为Si SJ-MOSFET(图左)与SiC MOSFET（图右）传递特性曲线，可以看出SJ-MOSFET V _GS （栅压）大于V _TH （阈值电压）后电流迅速上升，且呈现负温系数。而对于SiC MOSFET 在V _GS 超过V _TH 后，上升速度缓慢，说明器件G _f _（跨导）较小，且V _GS 小于10V呈现正温特性。同时在V _GS 高达20V时（参考输出特型曲线），也没有进入饱和状态，正是由于以上特性，要求SiC MOSFET的开通驱动电压高于SJ-MOSFET，以使得SiC MOSFET工作在负温区。可以看出温度对SiC MOSFET输出电流特性的影响小于SJ-MOSFET。

图1：Si SJ-MOSFET(图左)与SiC MOSFET（图右）传递特性曲线

如图 2所示为SJ-MOSFET与SiC MOSFET的输出特性曲线，当V _GS 超过8V后，SJ-MOSFET已经充分导通，其I _DS -V _DS 的特性曲线几乎重叠。而SiC MOSFET在不同V _GS 下的I _DS -V _DS 曲线相距较远，且饱和区与线性区的拐点没有Si器件明显。同时SiC MOSFET的曲线的斜率在V _GS 大于15V后变化才会较小，才能获得低导通电阻，以上特征都与其传递特性相吻合。

图2：Si SJ-MOSFET（图左）与SiC MOSFET（图右）输出特性曲线

此外如图 3所示，SiC MOSFET 的R _DS(ON) （导通电阻）曲线呈现U形，而SJ-MOSFET的R _DS(ON) 随着T _j （结温）的升高而升高，这是由于SJ-MOSET的JFET（Junction Field Effect Transistor）区与漂移区电阻起主导作用，同时从图可以看出SiC MOSFET在高温下依然保持较低的导通损耗，而在使用SJ-MOSFET需要特别关注R _DS(ON) 上升对散热的要求。

图3：Si SJ-MOSFET(图左)与SiC MOSFET（图右）R _DS(ON) -T _J 特性曲线

1.2 动态特性对比

表2 ：Si SJ-MOSFET和 SiC MOSFET动态参数

由于器件开关测试条件不同，因此通过观察SiC MOSFET 与SJ-MOSFET C-V曲线，对器件的开关参数进行初步判断。如表2可以看到SiC MOSFET的Ciss（输入电容）明显小于SJ-MOSFET，可以进一步推测SiC的关断延时会明显小。同时值得注意的是Si SJ-MOSFET的Crss（米勒电容）在低压（小于300V）时相对较小。

图4：Si SJ-MOSFET(图左))与SiC MOSFET （图右）C-V特性曲线

图 5显示SiC MOSFET与SJ-MOSFET的栅电荷Qg，从图中可以看出SiC MOSFET的Qg明显小于SJ-MOSFET，这表明SiC MOSFET的驱动能量明显更小，同时可以看到SiC MOSFET的米勒平台（图中红色标注地方）更小，而SJ-MOSFET有明显的米勒平台，因此SiC MOSFET更适用于高频率的开关。

图5：Si SJ-MOSFET（图左）与SiC MOSFET（图右）Qg特性曲线

五、SiC MOSFET与Si IGBT的参数对比

由于SiC材料的特性，1200V、1700V 电压等级的SiC MOSFET可以与硅基同等电压的IGBT相比较，为了更好地体现SiC与Si IGBT器件之间的特性区别，选取常用的1200V25A等级的SiC MOSFET与Si IGBT，利用其数据手册中提供的数据进行对比。

2.1静态特性

表3：为SiC MOSFET和Si IGBT器件静态参数

图 6为选取IKW25T120与C2M0080120D进行参数对比，可以看出SiC MOSFET和Si IGBT的传递特性形态基本相似，当V _GS 小于V _TH 时是正温系数，当V _GS 较高时呈现负温系数。

图6：Si IGBT(图左)与 SiC MOSFET（图右）转移特性曲线

图 7为器件的输出特性曲线，SiC MOSFET的I _D -V _DS 曲线是从零点开始，是由于其电阻特性，而Si IGBT是在V _CE 大于V _CEsat (饱和压降)后才有电流输出，这是因为IGBT其内部寄生BJT（Bipolar junction Transistor）负责导通。因此在小电流下IGBT的导通压降更大，SiC MOSFET导通损耗更小。在大电流下IGBT能够在较小的导通压降下流通更大的电流，所以IGBT的跨导更大。

图7：Si IGBT（图左）与SiC MOSFET（图右）输出特性曲线

2.2动态特性

表4为SiC MOSFET和Si IGBT器件动态参数，图8所示为选取IKW25T120与C2M0080120D的C-V曲线，从表格可以看出SiC MOSFET 的Crss（米勒电容）明显小于Si IGBT。对比发现由于Si IGBT有较大的Ciss，会导致器件的开通时间与关断拖尾时间较长，则其开关能量就会明显大于SiC MOSFET。但同时需要注意的是SiC MOSFET的快速开关，也会导致开通过程中较大的V _DS 与I _DS 尖峰。但值得注意是，不同厂家对不同应用进行器件最优匹配时，会对参数采取不同的规格设计（也受限于结构、工艺等多种因素）。

表4 ：SiC MOSFET和Si IGBT器件动态参数

图8：Si IGBT（图左）与SiC MOSFET（图右）C-V特性曲线

Si IGBT和SiC MOSFET的栅电荷Qg如图9所示，SiC MOSFET的Qg明显小于IGBT，这说明SiC MOSFET更适用于高频率。

图9：Si IGBT（图左）与SiC MOSFET（图右）Qg特性曲线

以上都是通过DateSheet数据分析，但是对于器件性能的评估，还需要结合实际应用中器件静态特性、开关性能、温度行为和损耗分布等方面的综合比较。引用相关文献中三种器件（SiC MOSFET与Si IGBT与Si SJ-MOSFET）的关断测试波形，如图 10、图 11所示。在相同半桥测试条件下，SiC MOSFET比其他器件更快，SiC器件可以显著减小开关电路的开关损耗，提高效率。因此，SiC功率器件很适合于高频高压场合。同时需要注意的是，碳化硅设备的栅极驱动电压是不同的。

图10：Si IGBT 与SiC MOSFET Turn off曲线

碳化硅（SiC)MOS与超结(SJ)MOS和IGBT的性能及应用和器件选型方法

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