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01 | 功率器件简史
功率器件作为电力电子装置中的 核心元件, 其发展直接影响着电力电子学科的走向。每一代具有代表性的功率器件的问世都引起了电力电子学科的一次革命。功率器件的发展大致可以划分为 四个阶段：半控型功率器件阶段，单极型功率器件阶段，双极型功率器件阶段，新材料功率器件阶段。
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图表1 | 功率半导体器件发展历程
1957年美国通用公司（GE）研制出了世界上第一只 晶体闸流管（简称晶闸管,SCR）。 SCR的问世使得电力电子技术迈开了发展的第一步，这标志着现代电力电子技术的诞生，从此电力电子技术逐渐深入工业生产、国计民生的各个领域。
至今,在l0kV以上的高压电力场合,SCR仍有着一定的应用空间。 SCR是一种半控型器件,其基本特点是可以通过门极控制开通,但关断需要导通电流降为零而无法通过门极电流的关断实现。 SCR具有 功率容量大、应用技术成熟、价格低廉等优点, 但其控制电路 结构复杂 且 只能工作在开关频率较低 的电力电子应用场合。
70年代后期, 可幵关断晶闸管(GTO)实现了门极可关断功能,并使斩波电路的工作频率扩展到1kHz以上。 巨型晶体管(GTR，从属于双极型晶体管BJT)的问世在一定程度上弥补了SCR应用中的不足,这是因为 GTR具有低导通电阻和高阻断电压的优点。 所以,在中小功率应用领域中GTR逐渐取代了SCR。然而, GTR是一种电流控制型器件,其电流增益较小,这导致了其控制电路设计复杂,不易实现。 此外,在电力电子装置高频化的趋势下,GTR的开关速度难以满足。
20世纪70年代末,诞生了MOS（金属氧化物半导体）型功率器件。 MOSFET是一种场效应功率器件（电压控制器件）,通过控制栅极电压控制器件的开关过程。 MOSFET具有驱动电路简单的优点， 同时MOSFET是一种单极性器件,没有电导调制效应，这较大地提高了其开关速度，使得MOSFET在高频场合成为最主要的功率半导体器件。 但是，也正是由于没有电导调制效应，随着器件耐压的增大， MOSFET的导通电阻也随之增大，这将导致非常严重的导通损耗，所以现在MOSFET多用于中低压场合。
80年代初,科研人员通过将MOSFET和GTR（或BJT）结合起来,研制出了绝缘栅双极性晶体管 IGBT，兼具MOSFET的快速性、GTR的低通压降两方面优点。 IGBT是一种混合型器件,其具有诸多优点，如电压控制、高输入阻抗、低驱动功率、低导通电阻、低开关损耗、高工作频率。 IGBT是一种极适合用于中大功率场合的功率器件，现在己经成为电力电子应用领域的主导功率器件。
比较典型、常用的四种功率器件的各项参数、应用领域，比较如下表所示：
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图表2 | 常用的四种功率器件比较
如今,硅基功率器件已经发展到了相当成熟的地步。为了进一步实现人们对 高频、髙温、高功率密度 等具有理想特性功率器件的追求,越来越多的功率器件研究工作转向了新型半导体材料的功率器件。
其中,尤以 氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC） 等宽禁带材料功率器件的研究最为活跃。宽禁带半导体材料具有高的禁带宽度、高的饱和电子漂移速度、高的击穿强度、低的介电常数等特点,这些物理特性决定了 氮化镓和碳化硅在高温、高频、高功率应用场合是极为理想的半导体材料。 宽禁带器件的发展必将给电力电子器件的发展带来又一次革命。
氮化镓材料器件以高电子迁移率晶体管HEMT为代表,碳化硅材料器件以碳化硅肖特基二极管（SBD）和碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）为代表。其中， 碳化硅MOSFET是电力电子领域最受重视、最有可能导致新一轮电力电子领域革命的宽禁带半导体器件,是当前电力电子科研工作的研究热点。
02 | 常用碳化硅功率器件
目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kW～500kW之间、工作频率在10kHz～100MHz之间的场景，特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如 电动汽车车载充电机与电驱系统、充电桩、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域， 可取代部分硅功率器件。
当前电动汽车的车载充电机市场已逐步采用碳化硅SBD（肖特基二极管），产品集中在1200V/10A、20A，每台车载充电机需要4～8颗碳化硅SBD，全球已有超20余家汽车厂商开始采用。
电动汽车的电驱系统，主要指功率控制单元PCU，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU使用硅快恢复二极管（FRD）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）等器件制成， 强电流与高压电穿过硅功率器件时的电能损耗是电动汽车最主要的电能损耗来源，而使用碳化硅SBD、MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）可 降低10%的总能量损耗，并可使PCU体积降低80%，令车辆更为紧凑轻巧。
碳化硅MOSFET取代硅IGBT是电驱系统发展的必然趋势， 预计该市场将在碳化硅MOSFET成熟可靠后全面启动。目前， 特斯拉Model 3 的电驱系统已采用了ST所提供的碳化硅功率器件， 丰田 也推出了搭载碳化硅功率器件的电动汽车。
根据Yole Development预测，2018年新能源汽车占碳化硅器件市场约27%的份额， 市场规模约1.13亿美元，得益于碳化硅MOSFET性能和可靠性的提高， 未来3～5年内，碳化硅MOSFET有望在新能源汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用， 未来5年内驱动碳化硅器件市场增长的主要因素将由碳化硅二极管转变为碳化硅MOSFET， 因此至2024年其市场规模将大幅增长，占整体碳化硅功率器件市场的50%，市场规模超10亿美元。 即2024年，碳化硅器件全球市场将超20亿美元。
（1）碳化硅功率二极管
二极管是最简单的功率器件（如下图），由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流只能单向通过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压较低（硅二极管导通电压为0.7V，锗二极管为0.3V），承受的电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。常见的二极管有PIN二极管（PND）、肖特基二极管（SBD）、快恢复二极管（FRD）等。
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图表3 | 二极管及其单向导通特性
整流器由二极管与一些金属堆叠而成，二者在功能上相似，因此将二极管和整流器合并统计。根据Yole的数据， 2019年全球二极管及整流器市场规模为39.93亿美元，占功率器件市场规模的23.99%。
（1.1）肖特基二极管（SBD）
碳化硅肖特基二极管是 速度最快 的高压肖特基二极管，在开关应用中， 几乎没有反向恢复时间，可大幅降低开关损耗、提高开关频率。 但是由于高电压下碳化硅的肖特基势垒比硅薄，如果进一步提高碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压，隧穿效应会导致反向漏电流增大，这大大限制了碳化硅SBD的更高压应用。
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图表4 | SBD结构与电路图形符号
碳化硅SBD与硅SBD相比，总容性电荷（Qc）较小，能够在实现高速开关操作的同时减少开关损耗，因此它们 被广泛用于电源的功率因数校正电路（PFC 电路）中。
硅快速恢复二极管（FRD）在从正向切换到反向的瞬间会产生极大的瞬态电流，在此期间转移为反向偏压状态，从而产生很大的损耗。正向电流越大，或者温度越高，恢复时间和恢复电流就越大， 从而损耗也越大。
与此相反，碳化硅SBD是不使用少数载流子进行电传导的多数载流子器件（单极性器件），因此原理上 不会发生少数载流子积聚的现象。 而且，该瞬态电流基本上不随温度和正向电流而变化，所以不管何种环境下， 都能够稳定地实现快速恢复。 因此，如果用碳化硅SBD替换现在主流产品硅FRD，能够 明显减少恢复损耗。
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图表5 | 碳化硅SBD替代较高压硅PND、FRD
这些优势 有利于电源的高效率化， 并且通过高频驱动实现电感等无源器件的 小型化、低噪化， 可广泛应用于 空调、电源、光伏发电系统 中的功率调节器、 电动汽车 的快速充电器等的PFC电路和整流桥电路中。例如，KinkiRoentgen公司用于X射线发生器的500瓦电源采用了Rohm公司的碳化硅SBD， 使每瓦的电源体积比旧系统减小约80%。
（1.2）结势垒肖特基二极管（JBS）
为了充分发挥碳化硅 临界击穿电场强度高的优势，满足高压、高速应用，降低反向漏电流， 将SBD和PIN二极管组合成一种新的器件，称为结势垒肖特基二极管（简称“JBS二极管”），是在肖特基二极管的漂移区集成网状的p+区，金属阳极在n型漂移区上形成肖特基接触，在p+区上形成欧姆接触。
与SBD相比，JBS在正向模式下有更高的浪涌电流容限，反向模式下泄漏电流更低，阻断电压高。与PIN相比，由于JBS的PN结面积相对较小，其导通电阻、关态损耗更低，反向恢复特性较好。 碳化硅JBS已成为一种耐高压、耐高温、高速的理想开关管。
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图表6 | JBS二极管的结构及电路图形符号
（2）碳化硅功率晶体管
（2.1）金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）
MOSFET在目前的超大规模集成电路（VLSI）中占有极其重要的地位。 与传统硅MOSFET相同， 碳化硅MOSFET为单极性、电压全控型功率半导体器件，其工作原理也与硅MOSFET相同，主要分为以下两点:
①截止： 当栅-源极电压VGS=0时,漏极与源极间的PN结处于反向偏置状态,即使在漏-源极间存在正向电压,p区内载流子也不会移动,漏-源极之间无电流流过。
②导通： 栅-源极施加正电压时首先会将p区的空穴推开,将p区中的少子（电子）吸引到p区表面。当VGS＞VGS,th（开通阈值电压）时，p区表面的电子浓度将起过空穴浓度，使P型半导体反形成N型，形成反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失,漏-源极间导电。
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图表7 | 碳化硅MOSFET器件结构
作为单极功率器件的碳化硅MOSFET，在阻断电压300V～4500V范围内，由于其低导通电阻、高输入阻抗、高开关速度等优势，将成为 理想的高压功率开关器件，完全有可能取代硅IGBT器件，提高系统的整体效率、开关频率。 例如，日本三菱电机采用碳化硅MOSFET和SBD开发出一台11kW的逆变器，相比于传统的硅器件逆变器， 功率损耗降低70％。
（2.2）晶闸管（SCR）
晶闸管可应用于高压直流功率系统，在兼顾开关频率、功率处置能力、高温特性方面最能发挥碳化硅材料的特长。碳化硅晶闸管相对于硅晶闸管有着更低的正向压降、更快的转化速度、更高的阻断电压、更高的工作温度，因而备受关注。 与碳化硅MOSFET相比，对3000V以上的阻断电压，其通态电流密度可以高出几个数量级，因而特别适合于交流开关方面的应用。 对于直流开关方面的应用则是碳化硅GTO（门极可关断晶闸管）之所长。
（2.3）结型场效应晶体管（JFET）
单极功率器件JFET的 优点是不需要栅氧化层， 能提供相对较高的输入阻抗（虽然 没有MOSFET的高 ），回避了目前碳化硅MOSFET存在的沟道迁移率低、栅氧化层质量等问题， 制备工艺相对MOSFET要简单。 但JFET通常是常开型（耗尽型）器件，而大多数功率控制系统要求是 常闭型（增强型） 器件，这导致其在电力电子应用上受到了限制。
（2.4）双极型晶体管（BJT）
碳化硅可以制造出导通电阻较低、阻断电压高达数十千伏的BJT器件。对于4.5kV及更高阻断电压的应用， 双极型碳化硅功率器件将比单极型碳化硅功率器件更有实际应用价值。 与大多数场效应晶体管相比，BJT具有更高的载流子处理能力、更低的导通电阻，而且它是其他双极型器件的重要组成部分。
在许多情况下碳化硅BJT比碳化硅功率MOSFET更容易制备， 碳化硅BJT不像MOSFET那样会遇到氧化层品质严重影响器件特性的问题。 但是，BJT是电流控制器件，在开态有较高的输入驱动电流和较低的输入阻抗。这会带来 额外的功率耗散，使驱动电路的设计复杂化。
（2.5）缘栅双极晶体管（IGBT）
在超高压应用领域（＞5kV），碳化硅单极器件由于没有类似双极器件的少子注入产生的电导调制效应，随着器件击穿电压的提高，其导通电阻急剧增大，极大地限制了其在超高压系统的应用。
电力电子技术和微电子技术相结合而产生的全控型、高频化的电力电子器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT），是将金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT，包括GTR）相结合制备而成的复合型器件，集MOSFET的栅极电压控制特性和BJT的低导通电阻特性于一身， 兼具有场效应晶体管和双极型晶体管的优点，其驱动功率小、工作频率高、开关损耗低、导通电阻低、电流密度大等，是目前应用最广泛的功率器件之一。
碳化硅IGBT适用于超高电压（5kV以上）低频领域。 作为高压直流输电换流站中变换器的全控型核心器件，IGBT可实现在直流输电过程中交直流的高效快速转换。碳化硅IGBT是最有希望应用到高压直流输电、舰船驱动等领域的高效节能的宽禁带半导体器件。
03 | 碳化硅MOSFET
（1）与硅器件的比较优势
由于碳化硅有较高的禁带宽度，碳化硅功率器件可承受较高的电压（从600V到10kV）和功率，其器件 体积可变得更小， 约为硅基器件的1/10。同样由于其高禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，碳化硅器件的 电阻将变得更低，约为硅基器件的1/200。
相同规格的使用碳化硅MOSFET的逆变器与使用硅IGBT的逆变器相比，总能量损失小于 1/4
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图表8 | 同规格碳化硅器件与硅器件对比情况
为了实现比硅MOSFET小的导通电阻，硅IGBT通过电导率调制向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，但同时由于少数载流子的积聚，在开关关闭时会产生尾电流，从而造成 极大的开关损耗。
碳化硅器件的漂移层厚度低于硅器件，因此导通电阻低于硅器件， 仅采用MOSFET就能实现高耐压和低阻抗。 MOSFET不采用电导率调制， 在开关过程中几乎不产生尾电流 （如下图），可实现更低的开关损耗、更高的工作频率，能够在IGBT不能工作的高频、高温条件下驱动，可实现散热部件的小型化。
比如，20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。 显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势
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图表9 | 碳化硅MOSFET与硅IGBT的关闭特性
随着环境温度升高，碳化硅MOSFET的导通电阻增加量很小，而硅MOSFET的 导通电阻则随着温度升高而明显上升，甚至可能上升2倍以上。
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图表10 | 碳化硅器件与硅器件的导通电阻的温度特性
碳化硅MOSFET寄生体二极管具有 极小的反向恢复时间 Trr、反向恢复电荷Qrr。如下图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以 减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。
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图表11 | 碳化硅MOSFET与硅MOSFET体二极管反向恢复的比较
此外，碳化硅器件还具有 更优异的封装微型化和节能的优点， 例如900V时，碳化硅MOSFET的芯片尺寸只有硅MOSFET的1/35，就可以实现相同的导通电阻。同时， 硅MOSFET的最高耐压只有900V，但是碳化硅却能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。
封装微型化和节能的优势将直接体现在功率模块上，以丰田采用的6.1kW碳化硅OBC模块为例，其 功率密度 是3.3kW硅OBC模块的 4倍。
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图表12 | 丰田的OBC模块
（2）器件结构改进
从MOSFET功率器件的发展历史看，大致可以将其分为 平面型（planar）和沟槽型（trench） 两种结构。
下图所示为 平面型MOSFET的典型结构， 栅极处于晶圆表面。该结构是在20世纪70年代末被提出，并一直使用到现在。工艺上，先进行P-body的注入和退火,然后进行N+的注入和退火,通过控制横向扩散的长度来形成沟道。该结构因为漏极在下面,并且采用双扩散形式形成沟道,所以也叫VDMOS（Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor）。当栅源电压Vgs突破阈值电压后,MOSFET形成沟道从而电子可以按照图中虚线箭头的路线行进从而形成电流。目前的主流产品是平面型结构，主要制造商为 美国Cree、GE 等。
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图表13 | 平面型MOSFET截面图
平面型结构一个 最大的缺点是， 由于栅极下面左右两个P-body与N型外延层形成了P-N-P的类似JFET的结构， 导致该段路径导通电阻很高。 对于 N沟道的MOSFET， 通常采用在JFET区注入磷（P）离子的方法来降低导通电阻。在20世纪80年代末期，随着沟槽刻蚀技术的发展，沟槽型MOSFET被提出来， 该结构很大程度上降低了导通电阻。
下图所示为 沟槽型MOSFET， 将栅极埋入晶圆内。栅极通过沟槽刻蚀，沉积多晶硅来实现。 沟道由横向变成了竖向。 由于栅极是插入到硅片里面，不会存在P-N-P的JFET结构，并且在栅极下面与N型漂移层接触的地方所产生的积累层电阻非常小， 所以与平面型结构相比，沟槽型结构的导通电阻很低。
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图表14 | 沟槽型MOSFET截面图
沟槽型MOSFET栅极和漏极接触面积比较大, 相对来说,沟槽型结构的寄生电容会大一些。 在承受电压时,体二极管电场线被沟槽所挤压,场强最大处常在沟槽底部拐角处,所以 击穿点通常也在沟槽底部拐角处, 如果击穿电压设计的过大，则会对器件的可靠性会产生影响，所以沟槽型MOSFET的击穿电压通常在200V以下，而高压应用大部分采用平面型MOSFET。 沟槽型的主要制造商有德国Infineon、日本Rohm、Toyota、Denso 等。
平面型与沟槽型MOSFET的对比如下图表所示。当前主流产品是平面型结构，沟槽型结构正在逐步成熟，并有进一步发展演变。
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图表15 | 平面型与沟槽型MOSFET对比
（3）碳化硅功率模块
实际应用中，硅IGBT、FRD通常被封装为硅功率模块，而碳化硅MOSFET与碳化硅SBD灌封在一起形成碳化硅功率模块，在高压应用中可取代硅功率模块。
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（a）分解图
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（b）实物图 （c）等效电路图
图表16 | 碳化硅功率模块
碳化硅功率器件的 性能优势主要体现低关断损耗、低导通损耗。 通过两组实验对比数据可以发现，由硅IGBT、FRD组成的模块在开关关断时会产生尾（tail）电流，从而产生不必要的开关损耗；由碳化硅MOSFET、SBD组成的模块的关断损耗（Eoff） 降低了88%。
同时，因为尾电流随温度升高而增加， 高温时硅IGBT损耗较碳化硅MOSFET 进一步加大。 硅IGBT、FRD模块在开关导通时，恢复电流（红色虚线圈起部分）是开关导通时的一大损耗， 而碳化硅MOSFET、SBD模块中则几乎无相应波形，碳化硅 MOSFET、SBD模组的导通损耗 Eon， 比硅IGBT、FRD模组降低了34%。
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图表17 | 开关关断损耗（Eoff）降低88%
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图表17 | 开关导通损耗（Eon）降低34%
碳化硅MOSFET模块在 光伏、风电、电动汽车及轨道交通等 中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块， 体积比减小到1/5。 三菱开发的EV马达驱动系统， 使用碳化硅 MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。
04 | 碳化硅器件驱动
碳化硅MOSFET 与硅IGBT、MOSFET一样都属于电压控型开关器件，在驱动方面有许多相似之处，其驱动电路可以借鉴已有的硅器件的驱动电路设计方法，但碳化硅与硅功率器件存在差异， 对于驱动电路的要求有所不同。
（1）防串扰功能
由于碳化硅MOSFET具有 高速特性， 所以在驱动电路设计中常常选择增大驱动电路的驱动能力，这会使碳化硅MOSFET漏源极电压在开关瞬间经历极快的变化， 引发相邻器件之间的串扰。 若串扰过于严重， 可导致MOSFET误开启，造成串通问题、输出被干扰等问题。
因此在碳化硅MOSFET驱动电路的设计中，防串扰功能尤其重要，虽然在 硅MOSFET中同样存在串扰问题，但由于硅MOSFET的瞬间电压变化远小于碳化硅MOSFET， 所以在碳化硅MOSFET驱动电路中需要着重考虑串扰问题。
抑制串扰的方法主要分为两种， 一种是采用有源密勒钳位技术，当检测到MOSFET器件处于瞬态过程时，动态启用密勒钳位电路，抑制串扰的发生；第二种是斜率控制技术，即通过控制驱动能力的大小，分段控制瞬态驱动能力。
（2）欠压保护功能
碳化硅MOSFET需要足够大的稳态开启栅源电压，以保证导通电阻足够小，从而降低功率级损耗。 当碳化硅MOSFET处于关断状态时，其栅源电压应加负压，如果负压值没有达到要求值，则可能会导致功率级的串通现象，严重时会导致MOSFET器件烧毁。
（3）短路保护功能
相比同等级的硅IGBT或MOSFET， 碳化硅MOSFET能承受短路的时间更短，且重复短路后会出现老化现象， 因此碳化硅MOSFET的短路保护电路对反应时间提出了更高的要求，最好在2µs内*锁封**短路脉冲。
短路保护首先需要检测到故障，然后配合驱动板将驱动脉冲*锁封**，所以 检测电路很关键。 目前常用保护方法有三种， 一是检测导通漏源极电压VDS(ON)法， 漏源极电压大小可以反映漏极电流，通过检测在开通状态下的导通压降来判断是否发生短路； 二有是检测电流或电流变化率法， 通过检测电流判断是否发生过流，但此方法不适用于模块； 第三种是驱动电压检测和栅极电荷检测相结合。 这三种方法比较如下图。
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图表19 | 碳化硅MOSFET短路保护方法
（4）主要企业
目前主流的碳化硅MOSFET驱动厂商有 ONSemi、Infineon 等，这些厂商 研制了碳化硅MOSFET专用驱动芯片，而不是以硅IGBT驱动芯片来驱动碳化硅MOSFET。 其中， ONSemi的驱动芯片拥有大驱动能力、完善的保护功能，Infineon的驱动芯片具有两级关断技术，以抑制关断瞬态中的dv/dt。