文章来源：《电工技术学报》
摘要：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SiCMOSFET、SiCoolMOS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。
引言
近些年，碳化硅〈SiliconCarbide，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，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、SiCJFET及SiCMOSFET。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电路或着变器中，效率得到明显提高。SiCJFET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SiMOSFET和IGBT。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SiCMOSFET，较多研究人员对SiCMOSFET的特性进行深入研究。文献[10-13]指出SiCMOSFET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。仿真对比了应用SiCMOSFET和SiIGBT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（DualActiveBridge，DAB)变换器能自然实现ZVS软开关,结构简单，效率高，对SiCMOSFET在DAB变换器中的应用研究也较多。在DAB变换器中比较了SiCMOSFET、SiCoolMOS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。实验对比了应用SiCMOSFET和SiIGBT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。设计了应用SiCMOSFET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SiCMOSFET的性能优势，及其与SiCooIMOS和IGBT的特性差异，本文将SiCMOSFET、SiCoolIMOS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en相近的高压SiMOSFET的导通电阻RDs（on）均较大，因此本着额定电流部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SiIGBT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。玫W25N120T2为Infineon公司应用广泛的一款SiIGBT。表1为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的器件参数。
图1为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2不同栅电压（VGS或VGE)的三大输出特性曲线。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VGS大于13V时特性曲线的斜率基本不变，VGS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。
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。IPW65R065C7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。
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（DeviceUnderTesbDUT)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。
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。
图8为Buck变换器的输出电流不同时，CMF20120D、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，CMF20120D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CMF20120D、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。
表4为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2内部二极管的静态参数。其中卫W25N120T2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。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。
4DAB变换器的损耗模型
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,内侧开关管的通态损耗模型为
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
V2侧开关管的关断损耗模型为
式中，toff为产生关断损耗的时间。
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
V2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
式中，RDC为变压器或辅助电感的直流电阻。变压器和辅助电感的铁损模型为
式中，CFe为铁心的损耗系数；f为工作频率：Bm为饱和磁通密度；Ve为磁心体积；α、β都为常数。
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铀损和磁损。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95.3%;开关管为KW25N120T2时，DAB变换器的最高效率为91.03%。
5实验验证
图15为2kWDAB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%。IPW65R065C7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。
6、结论
本文对比SiCMOSFETCMF20120D、SiCoolMOSIPW65R065C7以及SiIGBTIKW25N120T2D的静态特性和开关特性，并将三种器件应用于2kWDAB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gg最小，沟道迁移率最低，因此栅电压相比IPW65R065C7和IKW25SN120T2D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IPW65SR065C7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%。
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