氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET

氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET是近两三年来新兴的功率半导体，相比于传统的硅材料功率半导体，他们都具有许多非常优异的特征：耐压高，导通电阻小，寄生参数小等。他们也有各自与众不同的特征：氮化镓晶体管的微小寄生参数，极快开关速度使其特别适合高频应用。碳化硅MOSFET的易驱动，高可靠等特征使其适合于高性能开关电源中。

本文基于英飞凌的氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET产品，对他们的结构、特征、两者的应用差异等方面进行了详细的介绍。

作为第三代功率半导体的绝代双骄，氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET日益引起工业界，特别是电气工程师的重视。之因此电气工程师如此重视这两种功率半导体，是因为其材料与传统的硅材料相比有诸多的优点，如图1所示。氮化镓和碳化硅材料更大的禁带宽度，更高的临界场强使得基于这两种材料制作的功率半导体具有高耐压，低导通电阻，寄生参数小等优异特征。当应用于开关电源土地中，具有损耗小，工作频率高，可靠性高等优点，可以大大提升开关电源的功效，功率密度和可靠性等性能。

圖1：矽、碳化矽，氮化镓三種材料關鍵特征對比

由于具有以上优异的特征，氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET正越来越多的被应用于工业土地，且将被更大规模的应用。图2是IHS Markit给出的这两种功率半导体应用土地及其销售额预测。随着应用土地的扩大，氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET的销售额也将随之大幅度增长。图3是IHS Markit提供的这两种功率半导体销售量预测。

图2：氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET应用土地及销售额预测

图3：氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET销售额预测

在本文的第2章，將對氮化镓晶體管的結構和特征，進行詳細的介紹。第3章將對碳化矽MOSFET的結構和特征進行詳細的介紹。在第4章中，將對采用這兩種功率半導體應用于同一電路中進行對比分析，從而更清晰的說明兩者應用中的雷同點和不同點，最後將對全文進行總結。

氮化镓晶體管結構及其特征

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）材料在交界面的壓電效應形成的二維電子氣（2DEG）來導電，如圖4所示。由于二維電子氣只有高濃度電子導電，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

图4所示的基本氮化镓晶體管的結構是一种耗尽模式(depletion-mode)的高电子移动率晶体管(HEMT)，这意味着在门极和源极之间不加任何电压(VGS=0V)情况下氮化镓晶体管的漏极和元件之间是导通的，即是常开器件。这与传统的常闭型MOSFET或者IGBT功率开关都完全不同，关于工业应用特别是开关电源土地是非常难以使用的。为了应对这一问题，业界通常有两种解决方案，一是采用级联(cascode)结构，二是采用在门极增加P型氮化镓从而形成增强型（常闭）晶体管。两者结构如图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的驅動完全雷同（因爲驅動的就是一個矽MOSFET），但是該結構也有很大的缺點，第一矽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開通和關斷過程中漏極對源極出現的振蕩就是氮化镓源極對門極的振蕩，由于此振蕩時不可幸免的，那麽就存在氮化镓晶體管被誤開通和關斷的也许。最後由因此兩個功率器件級聯在一起，限制了整個氮化镓器件的導通電阻的進一步減小的也许性。

由于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爲例，其詳細結構如圖6所示。

圖6：CoolGaN結構示意圖

如图6所示，目前业界的氮化镓晶体管产品是平面结构，即源极，门极和漏极在同一平面内，这与与超级结技术(Super Junction)为代表的硅MOSFET的铅直结构不同。门极下面的P-GaN结构形成了前面所述的增强型氮化镓晶体管。漏极边上的另一个p-GaN结构是为了解决氮化镓晶体管中常出现的电流坍陷(Current collapse)问题。英飞凌科技有限公司的CoolGaN产品的基材（Substrate）采用硅材料，如此可以大大降低氮化镓晶体管的材料成本。由于硅材料和氮化镓材料的热膨胀系数差异很大，因此在基材和GaN之间增加了许多过渡层(Transition layers)，从而保证氮化镓晶体管在高低温循环，高低温冲锋等阴毒工况下不也许出现晶圆分层等失效问题。

氮化镓晶體管的特征

基于圖6所示的結構，CoolGaN具有表1所示特征及其帶來的優點。

表1：CoolGaN的特征及其帶來的優點

從表1所示特征可知，氮化镓晶體管沒有體二極管但仍舊可以反向通流，因此非常適合用于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功效。電路拓撲示意圖如圖7所示。圖中Q1和Q2爲氮化镓晶體管，Q3和Q4爲矽MOSFET。

圖7：采用氮化镓晶體管的圖騰柱PFC拓撲示意圖

从表1还可获知氮化镓的开关速度极快，驱动损耗小，因此非常适合于高频应用。采用氮化镓晶体管的高频开关电源具有功率密度高，功效高的优点。图8展示了一款3.6KW LLC拓扑DC-DC转换器，LLC的谐振频率为350KHz，该转化器功率密度达成160W/in^3且最高功效超过98%。

图8：采用CoolGaN的3.6KW LLC转换电路

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

碳化硅 MOSFET结构及其特征

碳化矽MOSFET的結構

常见的平面型(Planar)碳化矽MOSFET的結構如图9所示。为了减小通道电阻，这种结构通常设计为很薄的门极氧化层，由此带来在较高的门极输入电压下门极氧化层的可靠性风险。为了解决那个问题碳化硅MOSFET 产品CoolSiC采用了不同的门极结构，该结构称为沟槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其门极结构如图10所示。采用此结构后，碳化硅MOSFET的通道电阻不再与门极氧化层强相关，那么可以在保证门极高靠可行性同时导通电阻仍旧可以做到极低。

圖9：平面型碳化矽MOSFET結構示意圖

圖10：CoolSiC溝槽型門極結構

碳化矽MOSFET的特征

与氮化镓晶体管类似，碳化硅MOSFET同样具有导通电阻小，寄生参数小等特点，另外其体二极管特征也比硅MOSFET大为提升。图11是英飞凌碳化硅650V 耐压MOSFET CoolSiC与目前业界体二极管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的两项要紧指标RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的对比，前一项是衡量体二极管反向恢复特征的指标，后一项是衡量MOSFET输出电容上存储的电荷量的指标。这两项数值越小，表明反向恢复特征越好，存储的电荷越低（软开关拓扑中，半桥结构上下功率管所需要的死区越短）。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近导通电阻的硅MOSFET，反向恢复电荷只有1/6左右，输出电容上的电荷只有1/5左右。因此碳化硅MOSFET特别适合于体二极管会被硬关断的拓扑（例如电留恋续模式图腾柱无桥PFC）及软开关拓扑（LLC，移相全桥等）。

碳化矽MOSFET還有一項出衆的特征：短路能力。相比矽MOSFET短路時間大大提升，這對于變頻器等馬達驅動應用非常重要，圖12給出了CoolSiC、CoolMOS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征，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

第3章对氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET各自的结构和特征进行了介绍，下面将对两者在参数上和实际电路上进行对比。

氮化镓和碳化硅 MOSFET对比

電氣參數對比

表2是氮化镓晶体管CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC，对两种功率半导体的关键参数进行了对比。

表2：CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC关键参数对比

从表2可知，氮化镓晶体管在动态参数上都低于碳化硅MOSFET，因此氮化镓晶体管的开关损耗低于碳化硅MOSFET，在高工作频率下的优势会更明显。电流反向固定时（源极到漏极）氮化镓晶体管的压降与其门极到源极的驱动电压相关，需要依据应用情况对比孰高孰低。关于最后一项门限电压Vgs(th), 氮化镓晶体管的数值非常小，意味着关于氮化镓晶体管的驱动设计要非常注重，如果门极上的噪声较大，有也许引起氮化镓晶体管的误开通。同时CoolGaN为电流型驱动模式，与传统的电压型驱动有所不同。而碳化硅MOSFET的门限电压高很多，其驱动要求与IGBT驱动非常靠近。

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。衆所周知功率半導體開關的導通電阻基本上正溫度系數，即結溫越高則導通電阻越大。從圖13可知碳化矽MOSFET的溫升系數遠小于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雷同，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)))雷同，但是當兩者的結溫升高到100°C時，碳化矽MOSFET的導通損耗只有氮化矽晶體管的70%，這對于那些環境要求苛刻，高溫下也需要保全高功效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

應用對比

第一在图7所示的电留恋续模式(CCM)的图腾柱(totem-pole)无桥PFC电路上对氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET对转换功效的妨碍进行了测试，测试条件如表3所示。

表3：PFC電路測試條件

测试中每种功率开关都测试了两种导通电阻的器件，关于氮化镓晶体管，RDS(on)分别为35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET则分别是65mohm和80mohm。测试结果如图14所示。在轻载情况下由于功率开关的开关损耗高于导通损耗，因此氮化镓晶体管的功效明显高于碳化硅晶体管。当负载逐步加重时，导通损耗在总损耗中的占比高于开关损耗。同时由于负载加大，功率开关的温升升高，而依据图13导通电阻随结温的变化率可知碳化硅晶体管的导通电阻随温度上身而增加较小，因此在高温下两种功率开关的功效差异差不多非常小，尽管碳化硅晶体管的25°C下的导通电阻是高于氮化镓晶体管的。

圖14：碳化矽MOSFET，氮化镓晶體管在PFC級功效曲線

接下来对用于3KW输出功率，采用两相交错并联半桥LLC的电路拓扑中的氮化镓晶體管和碳化矽MOSFET在不同工作频率下的计算获得的功效进行比较，计算中疏忽掉了频率飞腾导致磁性元件（包括谐振电感，主功率电感）损耗飞腾的妨碍。电路拓扑如图15所示。氮化镓晶体管选用的型号为IGOT60R070D1(25°C下的最大RDS(on)为70mohm)，共8颗。碳化硅MOSFET选用的型号为IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS(on)为64mohm)，共8颗。

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，不同工作頻率下的功效對譬如圖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功效相近，且都可以達到非常高(>99.2%)的功效，當工作頻率提升到300KHz後，氮化镓由于其非常小的寄生參數，開關損耗占總損耗的比例較低，因此其功效的降低很小（0.08%），而碳化矽MOSFET的功效會下降0.58%（99.28%-98.7%）。當工作頻率飞腾到500KHz後，兩者功效差距就很大了（1%）。當然如果對于一個實際的電路，考慮到頻率飞腾會引起磁性元件損耗的急劇飞腾，兩者的功效差異就不會這麽大，但是功效變化的趨勢是一樣的。

圖16：兩種功率器件在不同工作頻率下功效對比

氮化镓和碳化硅 MOSFET应用意见

依据第3章和第4章的论述，基于英飞凌科技有限公司的氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET产品，关于这两种宽禁带功率半导体的应用意见如下：

（1）所應用系統由于某些原因必須工作于超過200KHz以上的頻率，首選氮化镓晶體管，次選碳化矽MOSFET；若工作頻率低于200KHz，兩者皆可使用；

（2）所应用系统要求轻载至半载功效极高，首选氮化镓晶体管，次选碳化硅 MOSFET；

（3）所应用系统工作最高环境温度高，或散热困难，或满载要求功效极高，首选碳化硅 MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（4）所应用系统噪声干扰较大，特别是门极驱动干扰较大，首选碳化硅 MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（5）所应用系统需要功率开关由较大的短路能力，首选碳化硅 MOSFET；

（6）對于其他無特殊要求的應用系統，此時根據散熱方法，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中文产品。

总 结

本文对近年来出现的宽禁带功率半导体即氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET的结构、特征、两者的性能差异和应用意见进行了详细的介绍。由于宽禁带功率半导体有着许多硅材料半导体无法较短论长的性能优势，因此工业界越来越多地趋向使用它们。

而隨著業界對兩者的熟悉程度和應用經驗越來越高，兩者的使用量會急劇飞腾，從而帶動兩者價格的下降，這又會反過來推動寬禁帶功率半導體被更大規模的使用，形成良性循環。因此盡早掌握和使用寬禁帶功率半導體對于電氣工程師提高中文产品的競爭力，提高中文产品知名度以及自身的能力都具有非常重要的意義。相信本文對于電氣工程師熟悉和使用寬禁帶功率半導體具有非常大的參考和借鑒意義。

文章來源：玩轉嵌入式