SiC MOSFET、Si CoolMOS 和 IGBT 的特性详细对比

1、SiC MOSFET、Si CoolMOS 和 IGBT特性详细对比

碳化硅（SiC）半导体器件由于其宽禁带材料的优良特性受到了广泛关注。SiC?半导体器件作为一种新型器件，对其与?Si?半导体器件的特性对比及评估越来越有必要。本文主要对比了SiC MOSFET、Si CoolMOS?和?IGBT?的静态特性。并搭建了基于?Buck?变换器的测试平台，测试条件为输入电压为?400V，电流为?4～10A，对比了三种器件的开关波形、开关时间、开关损耗、dv/dt、di/dt?以及内部二极管的反向恢复特性。设计了一台?2kW?的双主动全桥（DAB）变换器的实验样机，对比了应用三种器件的?DAB?变换器的理论效率和实测效率。

碳化硅（Silicon Carbide，SiC）半导体器件因其材料具有击穿电场高、载流子饱和漂移速度快、热稳定性好及热导率高等优势[1-3]，可提高电力电子变换器的性能，引起了国内外学者的广泛关注。目前，商用的?SiC?半导体器件有?SiC?肖特基二极管、SiC JFET?及?SiC MOSFET。由于?SiC?肖特基二极管的反向恢复特性好于?Si?二极管，将其应用于PFC?电路或逆变器中，效率得到明显提高[4-6]。SiC ?JFET?是目前最成熟的?SiC?半导体器件，其开关速度和开关损耗均优于?Si MOSFET?和?IGBT?[7-9]。但?JFET的主要缺点是常通型，必须通过负压关断器件，当驱动电源出现故障时，很可能出现短路现象。

自?2011年，CREE公司推出第一代?SiC MOSFET，较多研究人员对?SiC MOSFET?的特性进行深入研究。文献[10-13]指出?SiC MOSFET?的驱动电压较低时，其导通电阻为负温度系数；驱动电压升高之后，其导通电阻为正温度系数。文献[14]仿真对比了应用?SiC MOSFET?和?Si IGBT?的双向?Buck-Boost?电路的效率，但没有实际应用效率的对比。由于双有源全桥（Dual Active Bridge，DAB）变换器能自然实现?ZVS?软开关，结构简单，效率高，对?SiC MOSFET在?DAB?变换器中的应用研究也较多[15-19]。文献[15]在?DAB?变换器中比较了?SiC MOSFET、Si CoolMOS和?IGBT?的输出电容?CDS?大小以及其对?ZVS?软开关的影响，但没有对器件的其他特性进行对比分析。文献[16-17]实验对比了应用?SiC MOSFET?和?Si ?IGBT?的?DAB?变换器的效率，但没有对两种器件的具体特性进行对比分析。文献[18-19]设计了应用SiC MOSFET?的高频?DAB?变换器，但其主要介绍了高频磁性元件的设计。

为了具体了解?SiC MOSFET?的性能优势，及与?Si CoolMOS?和?IGBT?的特性差异，本文将?SiC ?MOSFET、Si CoolMOS?和?IGBT?的特性进行对比。首先对比三种器件的静态特性，分析其对器件性能的影响。然后搭建基于?Buck?变换器的测试平台，对每种器件的开关特性进行测试。最后基于一台?2kW的?DAB?变换器，测试对比应用三种器件的效率。

2、静态特性对比

与?CMF20120D?击穿电压?VBR?相近的高压?Si ?MOSFET?的导通电阻?RDS(on)均较大，因此本着额定电流?ID?和导通电阻相近的原则，本文选取了IPW65R065C7?作为对比对象。IPW65R065C7?为Infineon?公司最新的一款?CoolMOS，其最大特点是开关速度快。而本着?Si IGBT?的击穿电压和额定电流相近的原则，本文选取了?IKW25N120T2?作为对比对象。IKW25N120T2?为?Infineon?公司应用广泛的一款?Si IGBT。表?1?为?CMF20120D、IPW65R065C7和?IKW25N120T2?的器件参数。

图片都来源：电 工 技 术 学 报

图?1?为?CMF20120D、IPW65R065C7?和?IKW25- ?N120T2?不同栅电压（VGS?或?VGE）的?I-V?输出特性曲线。如图?1a?所示，CMF20120D?的?VGS?大于18V?之后特性曲线的斜率变化较小。如图?1b?所示，IPW65R065C7?的?VGS?大于?8V?之后特性曲线的斜率基本不变，VGS?为?10V?和?20V?的特性曲线重合。如图?1c?所示，IKW25N120T2?的?VGE?大于?13V?时特性曲线的斜率基本不变，VGE?为?17V?和?20V?的特性曲线重合。CMF20120D?的饱和区与线性区的拐点没有?IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?清晰。上述现象源于三种器件的不同的跨导特性，如图?2?所示。CMF20120D?的跨导系数（gfs）最小，沟道迁移率最低，VGS?较高时才能获得低导通电阻。为了保证CMF20120D?具有低通态损耗，其驱动电压要高于18V，与?Si?半导体器件不同。

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图?3a、图?3b?和图?3c?分别给出了?CMF20120D、IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?的?Ciss，Coss和?Crss随器件电压（VDS?或?VCE）变化的曲线。IKW25N120T2的?Ciss?最小，其?VGE?响应最快，驱动损耗最小。IPW- ?65R065C7?的?Coss?最小，其关断时?Coss?存储能量最小（器件开通时，Coss?存储的能量转化为开通损耗）。IPW65R065C7?的?Crss?最小，其?VGS?的密勒平台时间最短，dv/dt?最大。

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3、开关特性对比

图 4 为基于 Buck 变换器的测试平台，用于测试 CMF20120D、IPW65R065C7 和 IKW25N120T2的开关特性。二极管 VD 为 SiC 肖特基二极管C4D20120A，其器件参数见表 2。SiC 肖特基二极管无反向恢复特性，用于限制被测器件（Device ?Under Test, DUT）开通时的电流尖峰。Buck 变换器的测试条件见表 3。驱动电路框图如图 5 所示，使用Avago 公司的 ACPL-4800 光耦隔离芯片和 IXYS 公司的 IXDN609SI 驱动芯片，驱动电路的负压通过三端稳压器 LM337 调节。根据器件的静态特性，设计CMF20120D 的驱动电压为+18/?3，IPW65R065C7和 IKW25N120T2 的驱动电压为+15/-3。

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图?6?所示为?Buck?变换器的输出电流为?7A?时，CMF20120D、IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?的开通和关断的波形。IKW25N120T2?的?VGE?响应速度最快。CMF20120D?的开通延迟时间和关断延迟时间最短。IPW65R065C7?的电压电流变化时间最短，但其开通电流尖峰和关断电压尖峰最大。

IKW25N120T2关断拖尾现象严重。

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图?7?为?CMF20120D、IPW65R065C7?和?IKW25- ?N120T2?的开关时间随?RG?变化的曲线。td(on)为开通延时时间，ton?为产生开通损耗的时间，即器件开通时电压电流的交叠时间，td(off )为关断延时时间，toff为产生关断损耗的时间，即器件关断时电压电流的交叠时间。测试结果显示，RG?越大，开关时间越长。CMF20120D?的开通延时间和关断延时时间最短，IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?的关断延迟现象比较严重。CMF20120D?产生开通损耗的时间最长，IPW65R065C7?最短。IPW65R065C7?产生关断损耗的时间最小，CMF20120D?与其相近。IKW25N120T2因其关断拖尾现象，产生关断损耗的时间最长。

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8?为?Buck?变换器的输出电流不同时，CMF- ?20120D、IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?的开关损失能量。Eon?为开通损失能量，Eoff?为关断损失能量。

测试结果显示，随着负载电流增加，开关损失能量增加。CMF20120D?开通损失能量最大，IPW65R065C7最小。IPW65R065C7?的关断损失能量最小，CMF- ?20120D?与其相近。IKW25N120T2?的关断损失能量最大。

图?9?为?Buck?变换器的输出电流不同时?CMF- ?20120D、IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?的开通di/dt?和关断?dv/dt。测试结果显示，IPW65R065C7的电压电流变化率最大，IKW25N120T2?最小。

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表?4?为?CMF20120D、IPW65R065C7?和?IKW25- ?N120T2?内部二极管的静态参数。其中?IKW25N120T2的内部二极管为出厂前封装在内的?Si?快恢复二极管。图?10?为测试二极管反向恢复特性的电路图。图11?为三种器件内部二极管及?SiC?二极管?C4D20120A的反向恢复电流测试结果，此处测试结果包含二极管结电容充电电流。测试结果显示，CMF20120D的内部二极管的反向恢复电流最小，反向恢复时间最短。而?IPW65R065C7?的内部二极管的反向恢复特性最差，其反向恢复电流峰值是?CMF20120D?内部二极管的?6?倍，反向恢复时间是?CMF20120D内部二极管的?3?倍。CMF20120D?的内部二极管与?C4D20120A?对比，其反向恢复电流略大于C4D20120A。

4、DAB 变换器的损耗模型

DAB?变换器如图?12a?所示，由两个全桥单元通过一个电压比为?N?的变压器和辅助电感?L?连接构成。Q1～Q8?为开关管，VD1～VD8?为续流二极管，C1?和?C2?为滤波电容。考虑到?IPW65R065C7?和IKW25N120T2?内部二极管的反向恢复特性较差，续流二极管采用?SiC?肖特基二极管?C4D20120A。该变换器的主要工作波形如图?12b?所示，包含?Q1?的关断电压?vDS_Q1?和通态电流?iD_Q1，VD1?的通态电流?iF_D1，Q5?的关断电压?vDS_Q5?和通态电流?iD_Q5，VD5?的通态电流?iF_D5?以及辅助电感电流?i。半个周期内，辅助电感电流在?t0、t1、t2?和?t3?时刻的大小及其有效值表示为

基于?DAB?变换器的工作原理，建立?DAB?变换器的损耗模型。其主要包含：开关管的损耗模型、续流二极管的损耗模型以及变压器和辅助电感的损耗模型。

开关管的损耗包含通态损耗和开关损耗，DAB变换器的变压器两侧开关管损耗模型需要分别建立。当开关管为?MOSFET?时，V1?侧开关管的通态损耗模型为

当开关管为?IGBT?时，V1?侧开关管的通态损耗模型为

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DAB?变换器开关管处于?ZVS?开通，其开通损耗近乎为?0，因此开关管的开关损耗模型只考虑关断损耗。V1?侧开关管的关断损耗模型为

由于?SiC?二极管的反向恢复特性好，并且二极管的开关损耗较小，因此二极管的损耗模型只考虑通态损耗。V1?侧二极管的通态损耗模型为

变压器和辅助电感的损耗包含铜损和磁损。变压器和辅助电感的铜损模型为

根据上述损耗模型，表?5?给出了?CMF20120D、IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?的通态损耗和关断损耗的理论计算结果。计算条件为：DAB 变换器的输出功率为?2kW，V1?为?320V~400V，V2?为 360V，变压器的电压比?N?为?1∶1，Q1～Q8?的驱动电阻?RG为?10?。开关管为?CMF20120D?和?IPW65R065C7?时，开关频率为?100kHz，死区时间?Td?为?0.15?s，辅助电感?L?为?66?H；开关管为?IKW25N120T2?时，开关频率为?20kHz，死区时间?Td?为?1?s，辅助电感?L为?330?H。表?5?中，随着?V1?升高，CMF20120D、IPW65R065C7?和?IKW25N120T2?的通态损耗和关断损耗均呈降低趋势。IPW65R065C7?的通态损耗和关

断损耗最低，CMF20120D?的通态损耗和关断损耗略高于?IPW65R065C7。尽管?IKW25N120T2?的开关频率为?20kHz，但其通态损耗和关断损耗最高，关断损耗远大于?CMF20120D、IPW65R065C7。

表?6?给出了开关频率分别为?20kHz?和?100kHz时，二极管?C4D20120A?的通态损耗以及变压器和辅助电感的铜损和磁损。变压器和辅助电感所选磁心型号如表?7?所示，环形?H100/50/20?为七星飞行公司的镍锌铁氧体磁心，EE55?为?TDK?公司的?PC40等级的锰锌铁氧体磁心。

根据以上损耗计算，图?13?给出了?DAB?变换器输出功率为?2kW?的理论效率。开关管为?CMF20120D时，DAB?变换器的最高效率为?94.9%；开关管为IPW65R065C7?时，DAB?变换器的最高效率为?95.5%；开关管为?IKW25N120T2?时，DAB?变换器的最高效率为?91.03%。

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5、实验验证

本文以?DSP?芯片?TMS320F28335?为主控芯片搭建了一台?2kW?的?DAB?变换器实验样机。图?14a、14b?和?14c?分别为输出功率为?2kW，V1?为?400V，开关管分别为?CMF20120D、?IPW65R065C7?和IKW25N120T2?时，DAB?变换器的?Q1、Q2?的关断电压波形?vDS_Q1?和?vDS_Q5。实验表明，IPW65R065C7电压尖峰最高，IKW25N120T2?关断电压尖峰最小，与在?Buck?变换器中的测试结果一致。

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图?15?为?2kW DAB?变换器的实测效率。开关管为?CMF20120D?时，最高效率为?93.6%；开关管为IPW65R065C7?时，最高效率为?94.3%；开关管为IKW25N120T2?时，最高效率为?90.6%。?IPW65- ?R065C7?和?CMF20120D?的实测效率与理论偏差较大，这是由于计算理论效率时未考虑开关电压电流尖峰以及温度导致?RDS(ON)增加引起的损耗。

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6、结论

本文对比了?SiC MOSFET CMF20120D、Si CoolMOS IPW65R065C7?以及?Si IGBT IKW25N120T2D的静态特性和开关特性，并将三种器件应用于?2kW ?DAB?变换器中，进行效率对比。对比结果表明：

（1）驱动特性。CMF20120D?的跨导系数?gfs?小，沟道迁移率最低，因此栅电压相比?IPW65R065C7和?IKW25N120T2D?高，这样才能获得低导通电阻。

（2）开关特性。CMF20120D?的开通延迟时间和关断延迟时间最短。IPW65R065C7?产生开通和关断损耗的时间最小，其开通和关断损耗也最小，但其?dv/dt?和?di/dt?也最大。而?CMF20120D?产生开通损耗的时间最长，开通损耗也最大，但其产生关断损耗的时间和关断损耗与?IPW65R065C7?相近。IKW25N120T2D?由于其关断拖尾现象严重，导致其关断时间和关断损耗最大。

（3）内部二极管特性。CMF20120D?的内部二极管导通电压最高，但其反向恢复特性最好，与?SiC?肖特基二极管相近。IPW65R065C7?的内部二极管反向恢复特性最差，其反向恢复电流峰值是?CMF20120D内部二极管的?6?倍，反向恢复时间是?CMF20120D内部二极管的?3?倍。IKW25N120T2D?的内部二极管反向为快恢复二极管，其反向恢复特性仅好于IPW65R065C7?的内部二极管。

（4）效率。应用?CMF20120D?和?IPW65R065C7的?DAB?变换器的开关频率为?100kHz，理论最高效率分别为?94.9%和?95.5%，实测最高效率分别为94.3%和?93.6%。而应用?IKW25N120T2?的?DAB?变换器的开关频率为?20kHz，理论最高效率为?91.03%，实测最高效率为?90.6%。

综合以上内容，CMF20120D?的性能与?IPW65- ?R065C7?相近，均比?IKW25N120T2D?的性能优异，但?CMF20120D?耐压高于?IPW65R065C7，因此?SiC ?MOSFET?在高压、高频功率变换领域的应用将会越来越广泛。本文作者梁美?1郑琼林?1可翀?2李艳?1游小杰?1（1.?北京交通大学电气工程学院北京?100044 2.?华北水利水电大学电力学院郑州?450046）

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图片图来源：碳化硅MOS与SiC模块技术漫谈