碳化硅MOSFET器件特性的研究

鐘志遠(yuǎn)，秦海鴻，朱梓悅，袁源，余忠磊

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系，江蘇 南京 210016)

0 引言

電力電子器件對(duì)提高整個(gè)裝置的性能指標(biāo)起著十分重要的作用［1］。隨著多電飛機(jī)、電動(dòng)汽車和新能源等電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，功率變換器對(duì)效率、功率密度和耐高溫等方面的要求越來越高［2-3］。由于硅器件的性能逐漸接近材料理論極限，以碳化硅為代表的新型功率器件應(yīng)運(yùn)而生。碳化硅半導(dǎo)體器件具有導(dǎo)通電阻低、擊穿電壓高、極限工作溫度高等優(yōu)點(diǎn)［4-6］，隨著碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)碳化硅功率器件的應(yīng)用研究也在不斷展開和深入［7-9］。

本文設(shè)計(jì)、搭建了通態(tài)電阻測(cè)試電路和雙脈沖測(cè)試電路，并以Cree公司的碳化硅 MOSFET CMF10120D和IXYS公司的硅MOSFET IXFH26N60P為例，對(duì)器件特性進(jìn)行了對(duì)比研究，通過簡(jiǎn)易測(cè)試電路對(duì)其通態(tài)特性和開關(guān)特性進(jìn)行了測(cè)試、分析，在變換器設(shè)計(jì)之前較為準(zhǔn)確地掌握了碳化硅器件的實(shí)際工作特性。

1 碳化硅MOSFET通態(tài)特性分析

圖1(a)、圖1(b)分別給出了碳化硅 MOSFET和硅 MOSFET的輸出特性曲線。從圖1(a)中可以看出，碳化硅 MOSFET的柵極電壓即使達(dá)到15 V，繼續(xù)增大柵極驅(qū)動(dòng)電壓仍能顯著減小通態(tài)電阻，因而在不超過柵極極限電壓的情況下，應(yīng)盡可能設(shè)置更高的驅(qū)動(dòng)電壓以獲得更低的通態(tài)電阻，充分發(fā)揮碳化硅 MOSFET的優(yōu)勢(shì);而從圖1(b)中可以看出，硅 MOSFET在柵極驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到7 V以上時(shí)通態(tài)電阻的變化已經(jīng)很小，因此在實(shí)際應(yīng)用中，考慮柵極極限電壓的限制，通常驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)設(shè)置在15 V左右。

2 碳化硅MOSFET開關(guān)特性分析

圖1 MOSFET的輸出特性曲線

功率MOSFET存在多種寄生電容:柵源極電容、柵漏極電容和漏源極電容，這些電容對(duì)MOSFET開關(guān)動(dòng)作瞬態(tài)過程具有明顯的影響，通常將上述電容換算成更能體現(xiàn)MOSFET特性的輸入電容Ciss、輸出電容Coss和密勒電容Crss，如表1所示。從表1中給出的數(shù)據(jù)可以看出，碳化硅 MOSFET寄生電容的容值遠(yuǎn)小于相近電流等級(jí)的硅功率MOSFET，根據(jù)MOSFET的開關(guān)過程可知，寄生電容值越小，開關(guān)速度越快，開關(guān)轉(zhuǎn)換過程的時(shí)間越短，即可減小開關(guān)損耗。

表1 MOSFET寄生電容及開關(guān)時(shí)間比較

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 碳化硅MOSFET通態(tài)特性測(cè)試

為對(duì)比碳化硅 MOSFET和硅 MOSFET的通態(tài)特性差異，本文設(shè)計(jì)制作了圖2(a)所示的通態(tài)電阻測(cè)試電路。保持柵極電壓恒定，使MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，調(diào)節(jié)直流電源使流過MOSFET的電流恒定，通過測(cè)量漏源極電壓可以計(jì)算出通態(tài)電阻值。改變柵極電壓，重復(fù)上述過程，從而得到不同柵極電壓下的通態(tài)電阻曲線，如圖2(b)所示。

圖2 MOSFET通態(tài)特性測(cè)試圖

從圖2(b)可以看 出，硅MOSFET的通態(tài)電阻在柵極電壓達(dá)到7 V以后幾乎不再減 小，而碳化硅MOSFET在柵極電壓達(dá)到15 V以上時(shí)仍有較明顯的變化，與 理論分析一致。這種特性導(dǎo)致了碳化硅MOSFET在柵極電壓較低時(shí)的通態(tài)電阻相對(duì)較大，實(shí)際應(yīng)用中需要注意設(shè)置更高的柵極電壓以獲得低通態(tài)電阻。在柵極電壓大于12 V后，碳化硅 MOSFET的通態(tài)電阻值小于硅 MOSFET，隨著柵極電壓的增大，碳化硅MOSFET的低導(dǎo)通電阻優(yōu)勢(shì)更顯著。表2給出了柵極電壓為15 V和20 V時(shí)的通態(tài)電阻比較，碳化硅 MOSFET的通態(tài)電阻分別減小了33%和53%。而碳化硅 MOSFET的電壓定額是硅MOSFET的兩倍，充分說明了碳化硅MOSFET兼顧了低導(dǎo)通電阻與高阻斷電壓的靜態(tài)特性優(yōu)勢(shì)。

表2 不同柵極電壓下的MOSFET通態(tài)電阻值

3.2 碳化硅MOSFET開關(guān)特性測(cè)試

為了對(duì)碳化硅功率器件與硅功率器件的開關(guān)特性進(jìn)行對(duì)比研究，本文設(shè)計(jì)和搭建了圖3所示的雙脈沖測(cè)試電路。圖中的開關(guān)器件Q分別采用IXFH26N60P和CMF10120D，上管的續(xù)流二極管DH采用碳化硅肖特基二極管(C3D10060A)。為充分測(cè)試功率器件的開關(guān)特性，對(duì)不同輸入電壓和不同驅(qū)動(dòng)電阻組合條件下的開關(guān)特性分別進(jìn)行了測(cè)試，輸入電壓分別為300 V、400 V、500 V，驅(qū)動(dòng)電阻分別取 10 Ω、20 Ω。

圖3 雙脈沖測(cè)試電路圖

圖4 MOSFET開通瞬態(tài)展開波形

輸入電壓為500 V、驅(qū)動(dòng)電阻為 6.8 Ω時(shí)的功率器件電壓、電流波形如圖4所示，圖中CH1為漏源極電壓 VDS波形，CH2為柵源極電壓 VGS波形，CH3為漏源極電流ID波形。從圖4中可看出，與硅 MOSFET相比，碳化硅MOSFET開通時(shí)，VGS沒有非常明顯的密勒平臺(tái)，這是由碳化硅MOSFET的短溝道效應(yīng)和低跨導(dǎo)決定的。圖4(a)中，在漏極電壓下降過程中，硅MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩現(xiàn)象，柵極電壓的振蕩將導(dǎo)致漏源極電流隨之振蕩，峰值電流達(dá)到7.88 A，增大了器件應(yīng)力，降低了電路工作的可靠性。

柵極電壓產(chǎn)生振蕩的主要原因是漏極電壓變化時(shí)通過密勒電容對(duì)柵極電壓的耦合干擾。MOSFET開始導(dǎo)通后，漏源極電壓下降，密勒電容開始從柵極抽流放電，漏極電壓變化率越大，產(chǎn)生的耦合電流越大，若柵極瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流不足以提供足夠的抽流電流，則柵極電容開始放電，柵極電壓下降。碳化硅 MOSFET的密勒電容容值較小，因此在開通過程中產(chǎn)生的耦合電流遠(yuǎn)小于硅MOSFET，柵極電壓振蕩較小，如圖4(b)所示。

圖5給出了不同輸入電壓和不同驅(qū)動(dòng)電阻下MOSFET開通損耗和總開關(guān)損耗的測(cè)試結(jié)果。與硅MOSFET相比，碳化硅MOSFET的開關(guān)損耗顯著減小，輸入電壓為500 V、驅(qū)動(dòng)電阻為20 Ω 時(shí)的總開關(guān)損耗可減小 17.6%，對(duì)功率變換器的效率提升作用將十分可觀。

圖5 MOSFET開關(guān)損耗測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)、制作了通態(tài)電阻測(cè)試電路和雙脈沖測(cè)試電路，并以CMF10120D和IXFH26N60P為例，分析、總結(jié)了碳化硅功率器件與硅功率器件的實(shí)際工作特性差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳化硅MOSFET的密勒電容遠(yuǎn)小于相近功率等級(jí)的硅 MOSFET，同樣工作頻率下柵極受密勒電容產(chǎn)生的耦合干擾影響較小，且開關(guān)速度快，開關(guān)損耗明顯減小，但碳化硅 MOSFET的期望開關(guān)速度更快(電壓變化率更大)，工作電壓更高，且柵極電壓極限較窄。因此，在高頻應(yīng)用中碳化硅功率器件也需要抑制柵極振蕩和耦合干擾，避免誤導(dǎo)通問題，保證碳化硅功率器件及電路的可靠工作。

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