【導讀】作為第三代功率半導體的絕代雙驕
，氮化镓晶體管和碳化矽MOSFETriyiyinqigongyejie，tebieshidianqigongchengshidezhongshi。zhisuoyidianqigongchengshirucizhongshizheliangzhonggonglvbandaoti，shiyinweiqicailiaoyuchuantongdeguicailiaoxiangbiyouzhuduodeyoudian，rutu1suoshi。danhuajiahetanhuaguicailiaogengdadejindaikuandu，genggaodelinjiechangqiangshidejiyuzheliangzhongcailiaozhizuodegonglvbandaotijuyougaonaiya，didaotongdianzu，jishengcanshuxiaodengyouyitexing。dangyingyongyukaiguandianyuanlingyuzhong，juyousunhaoxiao
，gongzuopinlvgao
，kekaoxinggaodengyoudian
，keyidadatishengkaiguandianyuandexiaolv，gonglvmiduhekekaoxingdengxingneng。

1.引 言

作為第三代功率半導體的絕代雙驕
，氮化镓晶體管和碳化矽MOSFETriyiyinqigongyejie，tebieshidianqigongchengshidezhongshi。zhisuoyidianqigongchengshirucizhongshizheliangzhonggonglvbandaoti，shiyinweiqicailiaoyuchuantongdeguicailiaoxiangbiyouzhuduodeyoudian
，rutu1suoshi。danhuajiahetanhuaguicailiaogengdadejindaikuandu，genggaodelinjiechangqiangshidejiyuzheliangzhongcailiaozhizuodegonglvbandaotijuyougaonaiya，didaotongdianzu，jishengcanshuxiaodengyouyitexing。dangyingyongyukaiguandianyuanlingyuzhong
，juyousunhaoxiao，gongzuopinlvgao，kekaoxinggaodengyoudian
，keyidadatishengkaiguandianyuandexiaolv
，gonglvmiduhekekaoxingdengxingneng。

圖1：矽、碳化矽，氮化镓

三種材料關鍵特性對比

由於具有以上優異的特性
，氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET正越來越多的被應用於工業領域，且將被更大規模的應用。圖2是IHS Markit給出的這兩種功率半導體應用領域及其銷售額預測。隨著應用領域的擴大，氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET的銷售額也將隨之大幅度增長。圖3是IHS Markit提供的這兩種功率半導體銷售量預測。

圖2：氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET

應用領域及銷售額預測

圖3：氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET

銷售額預測

在本文的第2章，將對氮化镓晶體管的結構和特性，特別是英飛淩科技有限公司的氮化镓晶體管產品進行詳細的介紹。第3章將對碳化矽MOSFET的結構和特性特別是英飛淩科技有限公司的碳化矽MOSFET產品進行詳細的介紹。在第4章zhang中zhong，將jiang對dui采cai用yong這zhe兩liang種zhong功gong率lv半ban導dao體ti應ying用yong於yu同tong一yi電dian路lu中zhong進jin行xing對dui比bi分fen析xi，從cong而er更geng清qing晰xi的de說shuo明ming兩liang者zhe應ying用yong中zhong的de相xiang同tong點dian和he不bu同tong點dian
，最zui後hou將jiang對dui全quan文wen進jin行xing總zong結jie。

2.氮化镓晶體管結構及其特性

2.1氮化镓晶體管的結構

與矽材料的功率半導體不同，氮化镓晶體管通過兩種不同禁帶寬度（通常是AlGaN和GaN）材料在交界麵的壓電效應形成的二維電子氣（2DEG）來導電，如圖4所示。由於二維電子氣隻有高濃度電子導電，因此不存在矽MOSFET的少數載流子複合（即體二極管反向恢複）的問題。

圖4：氮化镓導電原理示意圖

圖4所示的基本氮化镓晶體管的結構是一種耗盡模式(depletion-mode)的高電子移動率晶體管(HEMT)，這意味著在門極和源極之間不加任何電壓(VGS=0V)情況下氮化镓晶體管的漏極和元件之間是導通的，即是常開器件。這與傳統的常閉型MOSFET或者IGBTgonglvkaiguandouwanquanbutong，duiyugongyeyingyongtebieshikaiguandianyuanlingyushifeichangnanyishiyongde。weileyingduizheyiwenti
，yejietongchangyouliangzhongjiejuefangan
，yishicaiyongjilian(cascode)結構，二是采用在門極增加P型氮化镓從而形成增強型（常閉）晶體管。兩者結構如圖5所示。

圖5：兩種結構的氮化镓晶體管

級聯結構的氮化镓是耗盡型氮化镓與一個低壓的矽MOSFET級聯在一起
，該結構的好處是其驅動與傳統矽MOSFET的驅動完全相同（因為驅動的就是一個矽MOSFET），但是該結構也有很大的缺點，首先矽MOSFET有體二極管
，在氮化镓反向導通電流時又存在體二極管的反向恢複問題。其次矽MOSFET的漏極與耗盡型氮化镓的源極相連，在矽MOSFET開kai通tong和he關guan斷duan過guo程cheng中zhong漏lou極ji對dui源yuan極ji出chu現xian的de振zhen蕩dang就jiu是shi氮dan化hua镓jia源yuan極ji對dui門men極ji的de振zhen蕩dang，由you於yu此ci振zhen蕩dang時shi不bu可ke避bi免mian的de

，那na麼me就jiu存cun在zai氮dan化hua镓jia晶jing體ti管guan被bei誤wu開kai通tong和he關guan斷duan的de可ke能neng。最zui後hou由you於yu是shi兩liang個ge功gong率lv器qi件jian級ji聯lian在zai一yi起qi
，限xian製zhi了le整zheng個ge氮dan化hua镓jia器qi件jian的de導dao通tong電dian阻zu的de進jin一yi步bu減jian小xiao的de可ke能neng性xing。

由於級聯結構存在以上問題，在功率半導體界氮化镓晶體管的主流技術是增強型氮化镓晶體管。以英飛淩科技有限公司的氮化镓晶體管CoolGaN™為例，其詳細結構如圖6所示。

圖6：CoolGaN™結構示意圖

如圖6所示
，目前業界的氮化镓晶體管產品是平麵結構
，即源極，門極和漏極在同一平麵內
，這與與超級結技術(Super Junction)為代表的矽MOSFET的垂直結構不同。門極下麵的P-GaN結構形成了前麵所述的增強型氮化镓晶體管。漏極旁邊的另一個p-GaN結構是為了解決氮化镓晶體管中常出現的電流坍陷(Current collapse)問題。英飛淩科技有限公司的CoolGaN™產品的基材（Substrate）采用矽材料，這樣可以大大降低氮化镓晶體管的材料成本。由於矽材料和氮化镓材料的熱膨脹係數差異很大，因此在基材和GaN之間增加了許多過渡層(Transition layers)
，從而保證氮化镓晶體管在高低溫循環，高低溫衝擊等惡劣工況下不會出現晶圓分層等失效問題。

2.2 氮化镓晶體管的特性

基於圖6所示的結構

，CoolGaN™具有表1所示特性及其帶來的優點。

表1：CoolGaN™的特性及其帶來的優點

從表1所示特性可知，氮化镓晶體管沒有體二極管但仍舊可以反向通流
，因此非常適合用於需要功率開關反向通流且會被硬關斷(hard-commutation)的電路，如電流連續模式(CCM)的圖騰柱無橋PFC中
，可以獲得極高的可靠性和效率。電路拓撲示意圖如圖7所示。圖中Q1和Q2為氮化镓晶體管
，Q3和Q4為矽MOSFET。

圖7：采用氮化镓晶體管的

圖騰柱PFC拓撲示意圖

從表1haikehuozhidanhuajiadekaiguansudujikuai
，qudongsunhaoxiao，yincifeichangshiheyugaopinyingyong。caiyongdanhuajiajingtiguandegaopinkaiguandianyuanjuyougonglvmidugao，xiaolvgaodeyoudian。tu8展示了由英飛淩公司設計的一款3.6KW LLC拓撲DC-DC轉換器，LLC的諧振頻率為350KHz，該轉化器功率密度達到160W/in^3且最高效率超過98%。

圖8：采用CoolGaN™的3.6KW LLC轉換電路

由以上分析可知，氮化镓晶體管適合於高效率
，高頻率，高功率密度要求的應用場合。

3.碳化矽MOSFET結構及其特性

3.1 碳化矽MOSFET的結構

常見的平麵型(Planar)碳化矽MOSFET的結構如圖9suoshi。weilejianxiaotongdaodianzu

，zhezhongjiegoutongchangshejiweihenbodemenjiyanghuaceng，youcidailaizaijiaogaodemenjishurudianyaxiamenjiyanghuacengdekekaoxingfengxian。weilejiejuezhegewentiyingfeilingkejiyouxiangongsidetanhuaguiMOSFET產品CoolSiC™采用了不同的門極結構

，該結構稱為溝槽型（Trench）碳化矽MOSFET
，其門極結構如圖10所示。采用此結構後

，碳化矽MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關
，那麼可以在保證門極高靠可行性同時導通電阻仍舊可以做到極低。

圖9：平麵型碳化矽MOSFET結構示意圖

圖10：CoolSiC™溝槽型門極結構

3.2 碳化矽MOSFET的特性

與氮化镓晶體管類似，碳化矽MOSFET同樣具有導通電阻小，寄生參數小等特點，另外其體二極管特性也比矽MOSFET大為提升。圖11是英飛淩碳化矽650V耐壓MOSFET CoolSiC™與目前業界體二極管性能最好的矽材料功率MOSFET CoolMOS™ CFD7的兩項主要指標RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對比，前一項是衡量體二極管反向恢複特性的指標，後一項是衡量MOSFET輸出電容上存儲的電荷量的指標。這兩項數值越小，表明反向恢複特性越好，存儲的電荷越低（軟開關拓撲中
，半橋結構上下功率管所需要的死區越短）。可以看出，碳化矽MOSFET相比相近導通電阻的矽MOSFET，反向恢複電荷隻有1/6左右
，輸出電容上的電荷隻有1/5左右。因此碳化矽MOSFET特別適合於體二極管會被硬關斷的拓撲（例如電流連續模式圖騰柱無橋PFC）及軟開關拓撲（LLC，移相全橋等）。

碳化矽MOSFET還有一項出眾的特性：短路能力。相比矽MOSFET短路時間大大提升
，這對於變頻器等馬達驅動應用非常重要，圖12給出了英飛淩CoolSiC™、CoolMOS™及競爭對手短路能力的對比圖。從圖可知CoolSiC™實現了短路時間長，短路電流小等優異特性，短路狀態下的可靠性大大提高。

圖11：碳化矽MOSFET和矽MOSFET的性能對比

圖12：碳化矽MOSFET短路能力比較

4.氮化镓和碳化矽MOSFET對比

4.1 電氣參數對比    

表2是基於英飛淩科技有限公司的氮化镓晶體管CoolGaN™和碳化矽MOSFET CoolSiC™
，對兩種功率半導體的關鍵參數進行了對比。

表2：CoolGaN™和碳化矽MOSFET CoolSiC™關鍵參數對比

從表2可知
，氮化镓晶體管在動態參數上都低於碳化矽MOSFET，因此氮化镓晶體管的開關損耗低於碳化矽MOSFET，在高工作頻率下的優勢會更明顯。電流反向流動時（源極到漏極）氮化镓晶體管的壓降與其門極到源極的驅動電壓相關，需要根據應用情況對比孰高孰低。對於最後一項門限電壓Vgs(th), danhuajiajingtiguandeshuzhifeichangxiao
，yiweizheduiyudanhuajiajingtiguandequdongshejiyaofeichangzhuyi，ruguomenjishangdezaoshengjiaoda，youkenengyinqidanhuajiajingtiguandewukaitong。tongshiCoolGaN™為電流型驅動模式
，與傳統的電壓型驅動有所不同。而碳化矽MOSFET的門限電壓高很多
，其驅動要求與IGBT驅動非常接近。

圖13給出了另外一個重要的參數的對比，即導通電阻RDS(on)隨溫度變化率。眾所周知功率半導體開關的導通電阻都是正溫度係數
，即結溫越高則導通電阻越大。從圖13可知碳化矽MOSFET的溫升係數遠小於氮化矽晶體管以及矽MOSFET
，在結溫100°C時相差已經達到30%和50%。根據圖13可知
，假設在25°C結溫時碳化矽MOSFET和氮化镓晶體管的導通電阻相同，在同一個應用電路中意味著兩者的導通損耗(〖I_Drms〗^2*R_(DS(on)))相同，但是當兩者的結溫升高到100°C時，碳化矽MOSFET的導通損耗隻有氮化矽晶體管的70%，這對於那些環境要求苛刻
，高溫下也需要保持高效率的應用場景非常具有吸引力。

圖13：碳化矽MOSFET，氮化镓晶體管和

矽MOSFET導通電阻隨結溫變化曲線

4.2 應用對比

首先在圖7所示的電流連續模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無橋PFC電路上對氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET對轉換效率的影響進行了測試，測試條件如表3所示。

表3：PFC電路測試條件

測試中每種功率開關都測試了兩種導通電阻的器件，對於氮化镓晶體管，RDS(on)分別為35mohm和45mohm，碳化矽 MOSFET則分別是65mohm和80mohm。測試結果如圖14所suo示shi。在zai輕qing載zai情qing況kuang下xia由you於yu功gong率lv開kai關guan的de開kai關guan損sun耗hao高gao於yu導dao通tong損sun耗hao
，因yin此ci氮dan化hua镓jia晶jing體ti管guan的de效xiao率lv明ming顯xian高gao於yu碳tan化hua矽gui晶jing體ti管guan。當dang負fu載zai逐zhu漸jian加jia重zhong時shi，導dao通tong損sun耗hao在zai總zong損sun耗hao中zhong的de占zhan比bi高gao於yu開kai關guan損sun耗hao。同tong時shi由you於yu負fu載zai加jia大da
，功gong率lv開kai關guan的de溫wen升sheng升sheng高gao，而er根gen據ju圖tu13導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)隨(sui)結(jie)溫(wen)的(de)變(bian)化(hua)率(lv)可(ke)知(zhi)碳(tan)化(hua)矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)隨(sui)溫(wen)度(du)上(shang)身(shen)而(er)增(zeng)加(jia)較(jiao)小(xiao)，因(yin)此(ci)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)兩(liang)種(zhong)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)的(de)效(xiao)率(lv)差(cha)異(yi)已(yi)經(jing)非(fei)常(chang)小(xiao)，雖(sui)然(ran)碳(tan)化(hua)矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)25°C下的導通電阻是高於氮化镓晶體管的。

圖14：碳化矽MOSFET，氮化镓晶體管

在PFC級效率曲線

接下來對用於3KW輸出功率

，采用兩相交錯並聯半橋LLC的電路拓撲中的氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET在不同工作頻率下的計算得到的效率進行比較，計算中忽略掉了頻率上升導致磁性元件（包括諧振電感，主功率電感）損耗上升的影響。電路拓撲如圖15所示。氮化镓晶體管選用的型號為IGOT60R070D1(25°C下的最大RDS(on)為70mohm)，共8顆。碳化矽MOSFET選用的型號為IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS(on)為64mohm)，共8顆。

圖15：兩相交錯並聯LLC電路示意圖

在50%負載（1500W），常溫工作環境下，不同工作頻率下的效率對比如圖16所示。在工作頻率較低（<100KHz）時，采用導通電阻相近的氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET效率相近，且都可以達到非常高(>99.2%)的效率，當工作頻率提升到300KHz後，氮化镓由於其非常小的寄生參數
，開關損耗占總損耗的比例較低，因此其效率的降低很小（0.08%）
，而碳化矽MOSFET的效率會下降0.58%（99.28%-98.7%）。當工作頻率上升到500KHz後，兩者效率差距就很大了（1%）。當dang然ran如ru果guo對dui於yu一yi個ge實shi際ji的de電dian路lu，考kao慮lv到dao頻pin率lv上shang升sheng會hui引yin起qi磁ci性xing元yuan件jian損sun耗hao的de急ji劇ju上shang升sheng
，兩liang者zhe的de效xiao率lv差cha異yi就jiu不bu會hui這zhe麼me大da

，但dan是shi效xiao率lv變bian化hua的de趨qu勢shi是shi一yi樣yang的de。

圖16：兩種功率器件在不同工作頻率下效率對比

5.氮化镓和碳化矽MOSFET應用建議

（1）所應用係統由於某些原因必須工作於超過200KHz以上的頻率
，首選氮化镓晶體管
，次選碳化矽MOSFET；若工作頻率低於200KHz，兩者皆可使用；

（2）所應用係統要求輕載至半載效率極高，首選氮化镓晶體管，次選碳化矽 MOSFET；

（3）所應用係統工作最高環境溫度高，或散熱困難
，或滿載要求效率極高，首選碳化矽MOSFET，次選氮化镓晶體管；

（4）所應用係統噪聲幹擾較大，特別是門極驅動幹擾較大
，首選碳化矽 MOSFET，次選氮化镓晶體管；

（5）所應用係統需要功率開關由較大的短路能力，首選碳化矽MOSFET；

（6）對於其他無特殊要求的應用係統，此時根據散熱方式，功率密度，設計者對兩者的熟悉程度等因素來確定選擇哪種產品。

6.總 結 

本文對近年來出現的寬禁帶功率半導體即氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET的結構、特性
、兩(liang)者(zhe)的(de)性(xing)能(neng)差(cha)異(yi)和(he)應(ying)用(yong)建(jian)議(yi)進(jin)行(xing)了(le)詳(xiang)細(xi)的(de)介(jie)紹(shao)。由(you)於(yu)寬(kuan)禁(jin)帶(dai)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)有(you)著(zhe)許(xu)多(duo)矽(gui)材(cai)料(liao)半(ban)導(dao)體(ti)無(wu)法(fa)比(bi)擬(ni)的(de)性(xing)能(neng)優(you)勢(shi)，因(yin)此(ci)工(gong)業(ye)界(jie)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)趨(qu)向(xiang)使(shi)用(yong)它(ta)們(men)。

ersuizheyejieduiliangzhedeshuxichengduheyingyongjingyanyuelaiyuegao

，liangzhedeshiyonglianghuijijushangsheng
，congerdaidongliangzhejiagedexiajiang
，zheyouhuifanguolaituidongkuanjindaigonglvbandaotibeigengdaguimodeshiyong，xingchengliangxingxunhuan。yincijinzaozhangwoheshiyongkuanjindaigonglvbandaotiduiyudianqigongchengshitigaochanpindejingzhengli

，tigaochanpinzhimingduyijizishendenenglidoujuyoufeichangzhongyaodeyiyi。xiangxinbenwenduiyudianqigongchengshishuxiheshiyongkuanjindaigonglvbandaotijuyoufeichangdadecankaohejiejianyiyi。

來源：英飛淩電源與傳感社區，作者：宋清亮。

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