在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，使用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，能讓開(kāi)關(guān)性能更接近理想狀態(tài)。相比硅MOSFET或IGBT，寬帶隙器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗都更低。此外還有其他一些優(yōu)勢(shì)，如更高的工作結(jié)溫和更好的熱導(dǎo)率，至少碳化硅器件是這樣的。

最重要的是碳化硅的導(dǎo)熱性能要優(yōu)于硅（Si）。在電機(jī)控制領(lǐng)域，上述好處特別有吸引力，不僅可以節(jié)約能源，還能讓驅(qū)動(dòng)電子器件減少成本、尺寸和重量。

碳化硅和氮化鎵器件在常態(tài)傳導(dǎo)損耗和擊穿電壓方面的極值更高，讓它們具有相比硅器件更好的性能表現(xiàn)（參見(jiàn)下圖）。但在電子領(lǐng)域，選擇哪款器件，很難做到直截了當(dāng)。隨著銷售額的增長(zhǎng)，現(xiàn)有的IGBT和MOSFET技術(shù)也在不斷得到提升。因此，我們應(yīng)當(dāng)先思考一下，改用寬帶隙器件是否有意義，什么時(shí)候改用寬帶隙器件比較好，然后再?zèng)Q定是選用碳化硅器件還是氮化鎵器件。

IGBT在電機(jī)控制方面有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在大功率的情況下，它們近乎恒定的飽和電壓能使傳導(dǎo)損耗保持在較低的水平，并且大致上與傳輸?shù)诫姍C(jī)的功率成正比。不過(guò)，在開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中損耗的功率很高，尤其是在關(guān)斷時(shí)。這是由于少數(shù)載流子重新組合時(shí)產(chǎn)生尾“電流”，但電機(jī)控制器的開(kāi)關(guān)頻率通常很低，因此平均下來(lái)?yè)p耗量還是很低的。事實(shí)上，在IGBT制造過(guò)程中，會(huì)考慮到尾電流和飽和電壓的平衡。所以會(huì)針對(duì)10-20 kHz的典型電機(jī)脈沖寬度調(diào)制（PWM）頻率，對(duì)器件損耗進(jìn)行優(yōu)化。并聯(lián)一個(gè)二極管，可以處理反向?qū)ɑ驌Q向產(chǎn)生的感性負(fù)載，或用于雙向功率轉(zhuǎn)換。這個(gè)二極管通常是碳化硅材料的，而且采用了共封裝。也許IGBT最大的優(yōu)勢(shì)在于其較低的成本和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的穩(wěn)健性（如果僅從它較大的晶圓帶來(lái)更好的熱容這個(gè)角度看）。

在相對(duì)較低的功率（幾千瓦的功率）、1200V左右的條件下，電機(jī)控制通常會(huì)選用硅MOSFET，其切換邊界的功率耗散相對(duì)較低。電機(jī)仍然決定著最佳PWM頻率，在10 kHz左右時(shí)，各類器件在開(kāi)關(guān)損耗方面的優(yōu)勢(shì)差距不大。一些高速、低電感電機(jī)還會(huì)受益于更高的PWM頻率，因?yàn)樗鼫p少了電流紋波（current ripple），提高了響應(yīng)能力。

傳導(dǎo)損耗取決于MOSFET的導(dǎo)通電阻，并與電流的平方成正比。因此，隨著功率的增加，MOSFET的性能很快就變得不可接受了。但是，與MOSFET電流平方成比例的損耗也有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于一部分應(yīng)用，它們的電機(jī)大部分時(shí)間在較低或中等功率范圍內(nèi)運(yùn)行（相對(duì)于最大功率而言，如牽引驅(qū)動(dòng)）。與在集電極-發(fā)射極（collector-emitter）上具有幾乎恒定的飽和電壓的IGBT相比，MOSFET在傳導(dǎo)損耗方面具有優(yōu)勢(shì)。MOSFET可以通過(guò)并聯(lián)減少電阻，而且它們確實(shí)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是內(nèi)置了體二極管，可用于換向和雙向傳導(dǎo)。另外，溝道本身也可以在柵極的控制下反向傳導(dǎo)，而且損耗較低。

不同材料的開(kāi)關(guān)器件對(duì)比

圖1：硅、碳化硅和氮化鎵器件的理論性能極限值對(duì)比

寬帶隙器件的利與弊

那么，寬帶隙器件有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？圖1顯示，在管芯面積和額定電壓相同的條件下，寬帶隙器件的傳導(dǎo)損耗可以低于硅MOSFET，這是因?yàn)閷拵恫牧吓R界擊穿電壓更高，溝道可以更短。氮化鎵更好的電子遷移率也降低了導(dǎo)通電阻。在中低功率下，電流器件的傳導(dǎo)損耗也可以低于IGBT。例如，在50 A時(shí)，IGBT飽和電壓1.5 V，導(dǎo)通時(shí)耗散75 W功率。導(dǎo)通電阻為30毫歐姆的硅MOSFET或氮化鎵HEMT（高電子遷移率晶體管）單元也會(huì)耗散相同的功率，正如前面所述。如今，1200 V的器件很容易達(dá)到這一數(shù)字，比如額定電流為60A、裸片電阻為20毫歐姆的onsemi SiC MOSFET NTC020N120SC1。這些MOSFET可以通過(guò)并聯(lián)獲得更好的性能。但是它們的電阻是在25°C時(shí)測(cè)算的，而且電阻會(huì)隨著溫度的升高而增大。碳化硅 MOSFET和硅MOSFET一樣，也有一個(gè)體二極管。它的速度非常快，反向恢復(fù)電荷很低，但比硅器件有著更高的正向壓降，因此在柵極操控溝道反向?qū)ㄖ?，必須將其?dǎo)通時(shí)間最小化到“死區(qū)時(shí)間”內(nèi)。

與硅器件相比，氮化鎵器件在導(dǎo)通電阻和傳導(dǎo)損耗方面也有顯著的提升。然而，目前它們僅適用于650 V左右的額定電壓，只能采用平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，組成HEMT單元。為了獲得更高的工作電壓，人們正在研究垂直溝道結(jié)構(gòu)，但當(dāng)襯底為硅時(shí)（這是保持低成本的必要條件），技術(shù)突破會(huì)非常困難。在氮化鎵橫向HEMT單元中沒(méi)有體二極管。反向傳導(dǎo)確實(shí)會(huì)在溝道內(nèi)發(fā)生，而反向恢復(fù)電荷實(shí)際上為零，但壓降高且不穩(wěn)定。壓降取決于柵極閾值和使用的任何負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

柵極驅(qū)動(dòng)對(duì)于硅MOSFET和氮化鎵HEMT單元都非常關(guān)鍵，兩者的閾值都很低。氮化鎵器件需要小驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，所需最高電壓也只有7 V左右。碳化硅需要18 V左右才能達(dá)到完全飽和，接近其絕對(duì)最大值，約為22 V（請(qǐng)注意，實(shí)際值取決于具體的碳化硅器件）。因此，需要對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)合理布局，避免寄生效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電壓應(yīng)力，例如由于連接電感與柵極和雜散電容共振而產(chǎn)生的振鈴。柵極和源極連接的電感也可能導(dǎo)致高di/dt的雜散和災(zāi)難性導(dǎo)通（見(jiàn)圖2）。米勒電容對(duì)高dV/dt也可能造成類似的影響。在電機(jī)控制應(yīng)用中，為了避免電機(jī)繞組應(yīng)力和過(guò)大的電磁干擾，通常會(huì)故意降低邊緣速率。從高di/dt通過(guò)電機(jī)機(jī)架接地的共模干擾電流也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械磨損。

可以說(shuō)，器件對(duì)布局和柵極驅(qū)動(dòng)高度敏感是有問(wèn)題的，但使用專門的柵極驅(qū)動(dòng)器，可能讓解決方案的設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)單。隨著集成電源模塊的出現(xiàn)，這些困難已經(jīng)得到解決。然而，外部影響難以預(yù)測(cè)，寬帶隙器件對(duì)異常條件的抵御能力也值得考慮，例如電機(jī)控制中經(jīng)常出現(xiàn)的負(fù)載過(guò)電壓和短路。硅MOSFET具有額定雪崩功率，但可靠值仍在通過(guò)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。氮化鎵HEMT單元沒(méi)有設(shè)定雪崩功率，會(huì)在過(guò)電壓下瞬間失靈。不過(guò)制造商設(shè)置的額定值與絕對(duì)最大值之間還留有很大的余地。寬帶隙器件的短路能力評(píng)估仍在繼續(xù)，要達(dá)到故障前幾微秒內(nèi)的合理數(shù)值。我們已經(jīng)注意到，發(fā)生過(guò)電流事件時(shí)，器件會(huì)出現(xiàn)緩慢退化和閾值電壓偏移，這在某些應(yīng)用中可能是一個(gè)問(wèn)題。

高di/dt的效果

圖2：高di/dt導(dǎo)致瞬態(tài)柵極的峰間電壓，且發(fā)生了共源電感 L。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，寬帶隙器件的價(jià)格也降到常規(guī)器件的價(jià)格區(qū)間。在電機(jī)控制應(yīng)用的功率水平不斷提高的情況下，可以考慮使用寬帶隙器件，它比IGBT和硅MOSFET具有更低的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。盡管單位成本與舊技術(shù)相比，還有一定差距，但寬帶隙器件的節(jié)能因素很關(guān)鍵，此外，散熱片尺寸、重量和成本的降低也能為系統(tǒng)帶來(lái)額外的好處。碳化硅MOSFET具有更高的額定電壓，能承受更高的電壓和熱應(yīng)力，在新的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中處于領(lǐng)先地位。但對(duì)于低電壓、低功率的應(yīng)用，可以選用氮化鎵器件，它可以實(shí)現(xiàn)更低的損耗。