【導讀】本文探討了影響高速SiC MOSFET開關特性的關鍵因素，包括器件特性
、工作條件和外部電路
；解釋了開關損耗的主要影響因素，並確定了影響器件行為和使用的重要因素，這些因素可以顯著提升SiC MOSFET在功率電路中的開關性能。

1 引言

碳化矽（SiC）MOSFET支持功率電子電路以超快的開關速度和遠超100V/ns和10A/ns的電壓和電流擺率下工作。SiC MOSFET還具有非常出色的導通特性和高溫特性。與傳統的矽基功率半導體相比
，SiC MOSFET具有非常低的器件工作損耗，可以實現高度緊湊且高效的功率轉換器解決方案[1]。

SiC MOSFET的開關性能不僅取決於器件本身的特性，在很大程度上還取決於器件的外部電路和工作條件。

SiC MOSFET的開關行為是十分複雜的話題。數據手冊中所提供的數值，往往隻能表示器件在非常具體的測試環境中、在若幹特定條件下的性能。而在實際的電源電路條件下，器件的真實性能取決於很多因素。

圖1：SiC MOSFET半橋電路簡圖。

優化電源電路的設計和工作條件，可以顯著提高SiC MOSFET的開關性能。

本文將使用實測數據，重點介紹SiC MOSFET開關行為的許多重要方麵。本文將重點討論，在標準的半橋電路等硬開關工作條件下的快速開關分立式CoolSiC™ MOSFET（見圖1）。

2 開關行為和損耗

開關損耗和導通損耗是導致功率轉換器半導體器件焦耳熱的兩大因素。盡管SiC MOSFET的導通損耗主要取決於器件本身的特性和工作條件（例如，柵極電壓

、負載電流和器件溫度），但開關損耗有著更加明顯也更加複雜的特性。

影響器件總開關損耗主要有三個因素：開通能量EON
、關斷能量Eoff和反向恢複能量Erec。其占比通常取決於器件的特性、操作條件和外部電路。除此之外，在開關過程中，還可能會出現其它的損耗，例如由寄生導通引起的損耗[2]。

影響開關損耗的器件特性包括芯片技術
、芯片尺寸、封裝類型和內部柵極電阻（Rint）。對開關損耗影響最大的工作條件為：芯片結溫
、直流母線電壓、柵極電壓和負載電流。我們將首先探討它們之間的關係及其對開關行為的影響，然後，在下一節探討封裝和外部電路的影響。

2.1 MOSFET關斷

在關斷過程中，MOSFET輸出電容被充電，於是阻斷了整個直流母線電壓，隨後，續流器件的體二極管接管負載電流。MOSFET的關斷特性對溫度的依賴性非常微弱，但由於半導體具有非線性C-V特性，因此，其關斷特性對工作電壓依賴性比較明顯。

在zai開kai關guan速su度du和he負fu載zai電dian流liu方fang麵mian
，有you一yi些xie重zhong要yao的de方fang麵mian需xu要yao考kao慮lv。在zai中zhong低di電dian流liu時shi，關guan斷duan特te性xing主zhu要yao受shou負fu載zai電dian流liu影ying響xiang，柵zha極ji電dian阻zu的de影ying響xiang不bu大da。這zhe是shi因yin為wei在zai米mi勒le階jie段duan，當dang器qi件jian的de輸shu出chu電dian容rongCoss被低恒定電流充電時，較低的Rg,ext並不能加快充電速度。這就解釋了為何在低Rg,ext值時
，低電流的開關瞬態相對較慢。

圖2：T=25°C時，不同電流和柵極電阻的關斷波形對比。

圖3：T=25°C時，在不同電流和柵極電阻下，測得的關斷能量的對比。

圖2和圖3突出顯示了這種效應
，圖中顯示了一個采用TO247-4封裝的1200V、20mΩ CoolSiC™ SiC MOSFET的關斷行為。在圖2中
，vds和id的開關波形在5A負載電流下幾乎相同（雖然柵極電阻存在差異）
；但在50A的高電流下

，情況就不一樣了。

圖3顯示了
，在低電流下，關斷能量Eoff在很大的柵極電阻範圍內保持恒定。其最小能量取決於為輸出電容充電所需的能量Eoss。它可能是硬開關電路中最低的Eoff。Eoff的Eoss部分存儲在Cosszhong，bingzaiqijianzaicidaotongshi，yireliangdexingshihaosan。suiran
，yangeyiyishanglaijiang，zhezhonghaosanshizaidaotongshifashengde
，dantabeishiweiguanduansunhao。zaijiaogaodedianliuhe/或較慢的開關中，來自換流過程的額外能量貢獻也被包含在Eoff中（不含Eoss）。這些是在實際的關斷過程中耗散的。

圖4：不同電流和溫度下的導通波形對比（均為Rg,ext =2.2Ω）。

圖5：T=25°C時
，在不同電流和柵極電阻下
，測得的導通能量的對比。

2.2 體二極管關斷

體二極管的關斷過程

，也稱反向恢複，是SiC MOSFET開關行為的一個重要組成部分。

二極管反向恢複
，描述了從器件的漂移區去除存儲的雙極等離子體電荷的過程。SiC MOSFET的體二極管具有獨一無二的特性，這使得它的反向恢複行為與IGBT電路中的矽二極管大不相同。SiC MOSFET體二極管中存儲的雙極電荷，顯示出對溫度和電流的明顯依賴。

在低電流或低溫下，雙極電荷非常小。從開關的角度來看，體二極管在這些條件下的行為，與單極肖特基二極管相似。

然而，隨著溫度的上升和電流的增加，體二極管存儲的雙極電荷越來越多，並表現出更多的雙極開關特性。

體(ti)二(er)極(ji)管(guan)的(de)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)會(hui)產(chan)生(sheng)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)中(zhong)產(chan)生(sheng)焦(jiao)耳(er)熱(re)。這(zhe)需(xu)要(yao)在(zai)計(ji)算(suan)器(qi)件(jian)的(de)整(zheng)體(ti)損(sun)耗(hao)時(shi)，加(jia)以(yi)考(kao)慮(lv)。除(chu)此(ci)之(zhi)外(wai)，二(er)極(ji)管(guan)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)會(hui)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)MOSFET的導通轉換，包括MOSFET導通損耗（見3.2）。

2.3 MOSFET開通

開通瞬態過程不僅取決於主動導通的MOSFET的de器qi件jian特te性xing，而er且qie還hai在zai很hen大da程cheng度du上shang
，取qu決jue於yu其qi被bei動dong續xu流liu器qi件jian。瞬shun態tai波bo形xing和he開kai關guan能neng量liang各ge不bu相xiang同tong，具ju體ti取qu決jue於yu續xu流liu器qi件jian是shi肖xiao特te基ji二er極ji管guan還hai是shi其qi他taSiC MOSFET。如果是MOSFET
，續流器件輸出電容的充電過程及其體二極管反向恢複發揮著重要作用。

在關斷期間
，Coss由恒定的負載電流充電；在開通期間，Coss由恒定的電壓源（即直流鏈路電容器）充電。當MOSFET快速開關時
，哪怕是非常小的負載電流，上述這種差異也會導致典型的反向電流浪湧（見圖4）。開通過程的速度完全由有源開關MOSFET控製。由於開關速度受電流、電壓
、溫度和柵極電阻的影響，因此，開通能量對這些參數表現出了明顯的依賴性（見圖5和圖6）。

與關斷期間不同，開通期間的開關能量受溫度影響很大。雖然MOSFET的I-Vtexingqueshiyouyidingdewenduyilaixing，huiyingxiangkaiguannengliang，danzongtiyingxianghenxiao。duikaitongwenduyilaixingdezhuyaogongxian，yaoshutierjiguandefanxianghuifu
，yijizaikaitongqijian
，cunchuzaierjiguanzhongdeshuangjidianheliang。

圖7突出顯示了
，溫度對有源開關SiC MOSFET導通行為的影響。在實驗中，將主動和被動（低邊和高邊）器件安裝在不同的加熱板上，分別控製其溫度。圖7表明，無源器件（體二極管）dewenduduiyouyuankaiguandekaiguanxingweiyouhendayingxiang
，eryouyuankaiguandewenduyingxianghenxiao。yuanyinzaiyufanxianghuifuqijiandedianheliudong，zhehuiyingxiangtierjiguanheyouyuankaiguanMOSFET。

電路設計人員可以通過調整驅動電壓，來減輕雙極電荷的影響
，並降低開關損耗[3]。另外，縮短死區時間也能提升性能（見3.2）。

圖6：在不同的直流母線電壓下，T=25°C時，快速導通和關斷能量的對比。

圖7：在不同溫度下
，有源和無源開關的快速導通。

3 外部電路的影響

在快速開關應用中
，外部電路對器件的性能有著巨大的影響。許多論文都討論了功率半導體的外部影響[4]-[6]，卻往往低估了外部電路對快速開關SiC MOSFET性能的影響。其主要影響包括但不限於

，外部柵極電阻（Rg,ext）、換向回路雜散電感Lσ、柵極阻抗

、柵極驅動器擺率和死區時間[3]
、[7]。

3.1 換流回路雜散電感

通過降低Rg,ext來加快開關速度，可以降低開關損耗。但在實踐中，Rg,extdezuidizhishishouxiande。duiyubandaoti，cixiaxianyouqiqijiandezuidaedingzhiguiding。yudianluzhongdejishengzasandianganyiqi

，kuaisushunbianhuidaozhigaoguochongdianyachaoguoqijiandeyunxuedingzhi。yinci
，yingdangjiangRg,ext設定在這些額定值的範圍內[8]。

在電源電路中的寄生元素中，換向回路雜散電感Lσ對器件的電壓過衝的影響，可以說是最大的。這種雜散電感包括
，主換流回路內所有部分電感（封裝和外部電路）。

對於SiC MOSFET，在zai最zui大da工gong作zuo溫wen度du和he電dian流liu下xia，體ti二er極ji管guan關guan斷duan期qi間jian，器qi件jian電dian壓ya通tong常chang是shi設she計ji電dian源yuan電dian路lu的de最zui關guan鍵jian的de條tiao件jian。在zai此ci期qi間jian，大da量liang的de雙shuang極ji電dian荷he存cun儲chu在zai體ti二er極ji管guan中zhong
，關guan斷duan時shi產chan生sheng反fan向xiang恢hui複fu電dian流liu。製zhi約yue電dian流liu變bian化hua的de大da雜za散san電dian感gan，會hui導dao致zhi體ti二er極ji管guan的dedv/dthengao，yijidaozhidianchangxunsusaochupiaoyiquzhongdeziyouzailiuzi。ruguozaiqijiandianliuziranjiangdidaolingzhiqian，fashengzhezhongqingkuang，name，shengyudeqijiandianliukenenghuizaigaodi/dt下瞬變，並導致器件出現不希望的過衝電壓。

如圖8a所示，當SiC MOSFET在具有高雜散電感的電源電路中
，以非常快的開關速度運行時，可能會發生這種跳變（snap-off）效應。除了高損耗和過衝電壓外，高雜散電感還會導致係統中其他元件的電磁幹擾問題。MOSFET關斷時的過衝電壓，通常並不那麼重要（對比圖8b）。

因此
，精心設計的低電感電源電路是實現幹淨、快速開關瞬態和低開關能量的關鍵。

（a）體二極管關斷

（b）MOSFET關斷

圖8：T=150°C時
，不同換向回路雜散電感Lσ的快速關斷行為比較。

3.2 死區時間

在圖1所示的典型半橋或全橋配置中
，SiC MOSFETdetierjiguanjinzaisiqushijianneichuandaodianliu。tierjiguanzhinengzaisiqushijiannei
，zaiqipiaoyiqujianlishuangjidengliziti。gaijianliguochengxuyaoyidingdeshijian，laijianliwentaidenglizititiaojian。zhekenengxuyaojibainamiao
，shenzhigengchangdeshijian，jutiqujueyuqijiandejishuhedianyadengji。ruguosiqushijianjiaoduan（小於在漂移區內產生穩態等離子體濃度所需的時間），則二極管關斷時，必須去除的電荷較少[3]
、[7]。

在需要體二極管換向的應用（即橋式拓撲）中，縮短死區時間，是提升SiC MOSFET性能的有效方式。由於體二極管的雙極電荷會增加有源開關和無源開關的損耗（Eon和Erec），因此，縮短死區時間，從而減少雙極電荷
，也可以減少這兩類開關損耗。如第2.3節所述，Eonxianzhudewenduyilaixingzhuyaoshiyinweitierjiguandeshuangjidianhe。ruguojiangsiqushijianshezhiweizugouduandejiange
，name
，jiukeyijinzaotingzhidenglizitidechansheng，congeryouxiaodixiaochuduikaiguanxingweideyingxiang。

（a）導通

（b）反向恢複

圖9：iLoad=50A時，死區時間的縮短對開關能量的影響。

圖10：死區時間和溫度對導通波形的影響。

圖9顯示了死區時間、導通能量和反向恢複能量之間的關係。在本測量中
，實際的死區時間是通過測量兩個柵極電壓而確定的。

從圖9可以看到，在高溫時，短死區時間對開關能量的影響特別有效；zaidiwenxia，denglizitimidujiaodishi，siqushijiandeyingxiangyouxian。ruguosiqushijianshezhidetaiduan
，youyulianggekaiguandetongshidaotongshijianfeichangduan，kaiguannengliangkenenghuizaicizengjia。yinci
，bixugenjuzhajiqudongqihekongzhiqidetexing，shidangtiaozhengsiqushijian。

由圖10可見
，在175°C時，MOSFET導通波形幾乎等於25°C時的波形，這是因為死區時間較短時，缺乏雙極等離子體。在這種特殊的情況下，SiC MOSFET的體二極管的行為與肖特基二極管類似。低等離子體密度對其開關行為幾乎沒有影響。

4 封裝的影響

器件封裝對SiC MOSFET的開關性能有很大影響。與較大的模塊相比
，小型分立式封裝通常具有低雜散電感和低Lσ*Inom的(de)特(te)點(dian)，適(shi)用(yong)於(yu)在(zai)高(gao)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)工(gong)作(zuo)的(de)電(dian)路(lu)。由(you)於(yu)尺(chi)寸(cun)緊(jin)湊(cou)
，它(ta)們(men)還(hai)為(wei)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)了(le)更(geng)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。然(ran)而(er)，在(zai)以(yi)高(gao)速(su)電(dian)路(lu)為(wei)目(mu)標(biao)時(shi)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)將(jiang)某(mou)些(xie)封(feng)裝(zhuang)特(te)性(xing)牢(lao)記(ji)於(yu)心(xin)。

4.1 4引腳與3引腳

傳統上，單開關分立式功率半導體具有漏極
、柵極和源極三個電氣連接引腳。隨著快速開關器件的出現
，具有4個引腳的器件（其中一個為驅動器提供額外的連接，即所謂的開爾文源）變得越來越普遍。盡管在物理上相似，但實際上，3引腳和4引腳封裝的SiC MOSFET在開關性能方麵，有著顯著的差異。第4個引腳的真正優勢，特別是在快速開關應用中的優勢，往往被低估了。

圖11：4引腳和3引腳型號的TO247封裝

圖12：T=25°C和50A時
，4引腳和3引腳TO247封裝在快速導通時的對比

圖11對比了3引腳TO247封裝和4引腳TO247封裝的示意圖。其中
，3引腳TO247封(feng)裝(zhuang)是(shi)標(biao)準(zhun)的(de)通(tong)孔(kong)封(feng)裝(zhuang)，適(shi)用(yong)於(yu)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)

，具(ju)有(you)悠(you)久(jiu)的(de)曆(li)史(shi)
，在(zai)行(xing)業(ye)中(zhong)廣(guang)為(wei)使(shi)用(yong)。它(ta)有(you)一(yi)個(ge)源(yuan)極(ji)引(yin)腳(jiao)
，由(you)負(fu)載(zai)電(dian)路(lu)和(he)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)共(gong)用(yong)。該(gai)引(yin)腳(jiao)為(wei)MOSFET提供公共源極電感Ls
，用作負載電路和柵極電路之間的反饋回路。

傳統的標準化3引腳TO247封裝因其引腳長度和引腳結構（柵極-漏極-源極）（其中，柵極和源極引腳之間的距離最遠）直(zhi)接(jie)導(dao)致(zhi)反(fan)饋(kui)電(dian)感(gan)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)。引(yin)腳(jiao)是(shi)基(ji)於(yu)過(guo)去(qu)的(de)經(jing)驗(yan)進(jin)行(xing)配(pei)置(zhi)的(de)，遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)，這(zhe)導(dao)致(zhi)柵(zha)極(ji)和(he)源(yuan)極(ji)引(yin)腳(jiao)之(zhi)間(jian)產(chan)生(sheng)了(le)一(yi)個(ge)高(gao)電(dian)感(gan)回(hui)路(lu)。它(ta)還(hai)導(dao)致(zhi)3引腳器件在引腳插入印刷電路板（PCB）的深度方麵
，非常敏感。器件封裝和PCB之間的距離稍有增加
，就會明顯增加反饋電感。

另一方麵
，4引腳TO247fengzhuangyoulianggedaiyoudulijianhexiandeyuanjiyinjiao，yigeyongyuzhajiqudongdianlu

，lingyigeyongyufuzaidianlu。tahaitigonglegengyoulideyinjiaopeizhi，dianganhuanludemianjigengxiao：漏極-源極-源極-柵極。因此，4引腳TO247封裝在負載和柵極電路之間幾乎沒有反饋。

3引腳TO247封裝的柵極反饋與頻率有關，因此，它對開關的影響程度，取決於實際的開關速度。當使用較大的Rg,ext慢速開關，或者當功率半導體的開關速度本來就很慢時
，柵極反饋的影響可能不明顯。但對於SiC MOSFET的快速開關瞬態而言，這種影響非常明顯。Ls中的感應電壓抵消了柵極驅動電壓，從而有效地減緩了開關過程，並增加了開關損耗。

圖12在相同的設置和開關條件下，比較了相同芯片的4引腳TO247和3引腳TO247 SiC MOSFET封裝，強調了柵極反饋的影響。由圖可知
，即使在非常低的Rg,ext下，3引腳封裝的強大柵極反饋也會防止快速開關。在較高電流時，其反饋電感的影響通常比在較低電流時更強。

值得注意的是，當Lσ過高時，vds中高過衝電壓會限製4引腳器件的開關速度，而3引腳器件可能不會出現這種情況。後者不能、也不適合非常快速的開關。不過，它們適用於不需要快速開關的應用。

5 總結與結論

快速SiC MOSFET的開關行為是設計高效的功率轉換器電路的一個重要因素。雖然導通損耗（由器件特性和工作條件決定）幾ji乎hu沒mei有you提ti升sheng性xing能neng的de潛qian力li，但dan實shi際ji上shang，可ke以yi通tong過guo優you化hua電dian路lu，來lai降jiang低di開kai關guan損sun耗hao。考kao慮lv到dao工gong作zuo條tiao件jian和he外wai部bu電dian路lu對dui開kai關guan行xing為wei的de影ying響xiang，電dian路lu設she計ji人ren員yuan有you很hen大da的de空kong間jian


，來lai改gai進jin性xing能neng。

本文探討了電流、電壓
、溫度和柵極電阻對開關損耗Eon、Eoff和Erec的各種依賴性，以及外部電路的影響。對於快速開關SiC MOSFET，在zai高gao溫wen和he大da電dian流liu下xia，體ti二er極ji管guan關guan斷duan期qi間jian的de電dian壓ya過guo衝chong，通tong常chang是shi提ti高gao開kai關guan速su度du的de限xian製zhi因yin素su。經jing過guo優you化hua的de低di電dian感gan電dian路lu設she計ji
，可ke實shi現xian更geng快kuai的de開kai關guan和he更geng低di的de損sun耗hao。

死區時間對SiC MOSFET的de開kai關guan行xing為wei有you明ming顯xian的de影ying響xiang。較jiao短duan的de死si區qu時shi間jian減jian少shao了le反fan向xiang恢hui複fu期qi間jian必bi須xu去qu除chu的de雙shuang極ji電dian荷he，從cong而er減jian少shao了le導dao通tong損sun耗hao和he恢hui複fu損sun耗hao。此ci外wai，它ta還hai降jiang低di了le二er極ji管guan關guan斷duan時shi的de電dian壓ya過guo衝chong，為wei更geng快kuai速su的de開kai關guan，提ti供gong了le更geng大da的de空kong間jian。在zai非fei常chang短duan的de死si區qu時shi間jiantd<100ns下，開關行為和損耗幾乎與溫度無關。

器件封裝會對開關性能產生重大影響。分立式3引yin腳jiao封feng裝zhuang沒mei有you單dan獨du的de引yin腳jiao來lai連lian接jie柵zha極ji驅qu動dong器qi，由you於yu其qi共gong源yuan電dian感gan較jiao大da，表biao現xian出chu了le非fei常chang強qiang的de柵zha極ji反fan饋kui。這zhe種zhong柵zha極ji反fan饋kui導dao致zhi其qi不bu適shi用yong於yu快kuai速su開kai關guan應ying用yong。3引腳器件的開關損耗明顯高於4引腳器件。3引腳器件的開關性能受到器件封裝的限製，4引腳器件則受到外部電路或芯片本身特性的限製。麵對快速開關應用
，采用具備兩個獨立源極引腳的封裝的SiC MOSFET器件是首選。

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來源：Paul Sochor, Andreas Huerner, Qing Sun, Rudolf Elpelt，德國英飛淩科技股份公司

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