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器件。与传统的硅功率半导体器件相比，它们具有许多优异的特性：高耐压、低导通电阻、低寄生参数等。它们也具有自身独特的优势：氮化镓晶体管极低的寄生参数和极快的开关速度使其特别适用于高频应用；碳化硅MOSFET易于驱动且可靠性高，使其适用于高性能开关电源。

本文以英飞凌的氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET 产品为基础，详细介绍了二者的结构、特性和应用差异。      
作为第三代功率半导体的双子星，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET正日益受到业界，尤其是电气工程师的关注。电气工程师如此重视这两种功率半导体的原因在于，如图1所示，与传统的硅材料相比，它们的材料具有诸多优势。氮化镓和碳化硅材料更大的带隙宽度和更高的临界场强使得基于这两种材料的功率半导体具有优异的特性，例如高耐压、低导通电阻和小寄生参数。当应用于开关电源领域时，它们具有低损耗、高工作频率和高可靠性等优点，可以显著提高开关电源的效率、功率密度和可靠性。      
          图 1：硅、碳化硅和氮化镓主要性能的比较
由于上述优异特性，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET在工业领域的应用日益广泛，并将进一步扩大应用规模。图2展示了IHS Markit提供的这两种功率半导体器件的应用领域和销售预测。随着应用领域的拓展，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET的销量也将显著增长。图3是IHS Markit提供的这两种功率半导体器件的销售预测。      
      图2：氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET的应用领域及销售预测
      图 3：氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET 的销售预测
本文第二章将详细介绍氮化镓晶体管的结构和特性。第三章将详细介绍碳化硅MOSFET的结构和特性。第四章将对这两种功率半导体在同一电路中的应用进行比较分析，以更清晰地阐述它们在应用中的异同。最后，本文将进行总结。      
             氮化镓晶体管的结构和特性          

氮化镓晶体管的结构

与硅基功率半导体不同，氮化镓晶体管通过二维电子气（2DEG）导电，该二维电子气是由两种带隙不同的材料（通常是AlGaN和GaN）在界面处通过压电效应形成的，如图4所示。由于二维电子气只有在电子浓度较高时才能导电，因此不存在硅MOSFET的少数载流子复合（即体二极管反向恢复）问题。      
      图4：氮化镓导电原理示意图
图 4 所示的基本氮化镓晶体管结构为耗尽型高电子迁移率晶体管 (HEMT)，这意味着当栅极和源极之间没有施加电压 (VGS=0V) 时，氮化镓晶体管的漏极和元件导通，即它是一种常导器件。这与传统的常闭型 MOSFET 或 IGBT 功率开关完全不同，后者在工业应用中，尤其是在开关电源领域，应用起来非常困难。为了解决这个问题，业界通常有两种解决方案。一种是采用共源共栅结构，另一种是在栅极上添加 P 型氮化镓，形成增强型（常闭）晶体管。这两种结构如图 5 所示。      
      图5：氮化镓晶体管的两种结构
级联结构中的氮化镓是耗尽型氮化镓，与低压硅MOSFET级联。这种结构的优点在于其驱动方式与传统硅MOSFET完全相同（因为它驱动的是硅MOSFET）。然而，这种结构也存在一些明显的缺点。首先，硅MOSFET具有体二极管。当氮化镓反向导通电流时，体二极管会出现反向恢复问题。其次，硅MOSFET的漏极与耗尽型氮化镓的源极相连。在硅MOSFET的开关过程中，漏极和源极之间的振荡会转化为氮化镓源极和栅极之间的振荡。由于这种振荡不可避免，因此存在氮化镓晶体管被错误地导通和关断的可能性。最后，由于两个功率器件级联在一起，进一步降低整个氮化镓器件导通电阻的可能性受到限制。      
由于级联结构存在上述问题，功率半导体行业主流的氮化镓晶体管技术是增强型氮化镓晶体管。以英飞凌科技股份有限公司的CoolGaN氮化镓晶体管为例，其详细结构如图6所示。      
      图 6：CoolGaN 结构示意图
如图6所示，目前业界的氮化镓晶体管产品采用平面结构，即源极、栅极和漏极位于同一平面内，这与超结技术所代表的硅MOSFET的垂直结构不同。栅极下方的p-GaN结构构成了前文所述的增强型氮化镓晶体管。漏极附近的另一个p-GaN结构用于解决氮化镓晶体管中常见的电流崩塌问题。英飞凌科技股份有限公司的CoolGaN产品采用硅材料衬底，可大幅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，因此在衬底和GaN之间添加了多个过渡层，以确保氮化镓晶体管在高低温循环、高低温冲击等严苛工作条件下不会出现晶圆分层等失效问题。      
       

氮化镓晶体管的特性

根据图 6 所示的结构，CoolGaN 具有表 1 所示的特性及其带来的优势。      
      表1：CoolGaN的特性及其优势
从表1所示的特性可以看出，氮化镓晶体管没有体二极管，但仍能导通反向电流，因此非常适合需要功率开关反向电流且需要硬换向的电路，例如电流连续模式（CCM）下的图腾柱无桥PFC，可以实现极高的可靠性和效率。电路拓扑图如图7所示。图中，Q1和Q2为氮化镓晶体管，Q3和Q4为硅MOSFET。      
      图7：采用氮化镓晶体管的图腾柱式PFC拓扑结构的示意图
从表1还可以看出，氮化镓具有极快的开关速度和极小的驱动损耗，因此非常适合高频应用。采用氮化镓晶体管的高频开关电源具有高功率密度和高效率的优点。图8所示为一个3.6kW的LLC拓扑DC-DC转换器。该LLC的谐振频率为350kHz。转换器的功率密度达到160W/in³，最高效率超过98%。      
      图 8：采用 CoolGaN 的 3.6KW LLC 转换电路
从以上分析可以看出，氮化镓晶体管适用于需要高效率、高频率和高功率密度的应用。      
             碳化硅 MOSFET 结构及其特性          

碳化硅MOSFET的结构

图 9 展示了一种常见的平面碳化硅 MOSFET 的结构。为了降低沟道电阻，这种结构通常采用非常薄的栅极氧化层，但这会在高栅极输入电压下给栅极氧化层带来可靠性风险。为了解决这个问题，CoolSiC 碳化硅 MOSFET 产品采用了一种不同的栅极结构，称为沟槽式碳化硅 MOSFET。其栅极结构如图 10 所示。采用这种结构后，碳化硅 MOSFET 的沟道电阻不再与栅极氧化层密切相关，因此在保证高栅极可靠性和可行性的同时，仍能保持极低的导通电阻。      
      图9：平面碳化硅MOSFET的结构示意图
      图 10：CoolSiC 沟槽栅极结构
       

碳化硅MOSFET的特性

与氮化镓晶体管类似，碳化硅 MOSFET 也具有导通电阻小、寄生参数低的特点。此外，与硅 MOSFET 相比，其体二极管特性也得到了显著改善。图 11 对比了英飞凌 650V 耐压碳化硅 MOSFET CoolSiC 和业界体二极管性能最佳的硅功率 MOSFET CoolMOS CFD7 的两项主要指标 RDS(on)*Qrr 和 RDS(on)*Qoss。前者用于衡量体二极管的反向恢复特性，后者用于衡量 MOSFET 输出电容上的存储电荷量。这两个指标的值越小，反向恢复特性越好，存储电荷越少（在软开关拓扑结构中，半桥结构上下功率管所需的死区越短）。可以看出，与具有相似导通电阻的硅MOSFET相比，碳化硅MOSFET的反向恢复电荷仅为1/6左右，输出电容上的电荷仅为1/5左右。因此，碳化硅MOSFET特别适用于体二极管硬关断的拓扑结构（例如电流连续模式图腾柱无桥PFC）和软开关拓扑结构（LLC、移相全桥等）。      
碳化硅 MOSFET 还具有一项突出的特性：短路性能。与硅 MOSFET 相比，其短路时间大幅提升，这对于逆变器等电机驱动应用至关重要。图 12 展示了 CoolSiC 和 CoolMOS 短路性能的对比图。从图中可以看出，CoolSiC 具有短路时间长、短路电流小等优异特性，其在短路条件下的可靠性也得到了显著提高。      
      图 11：碳化硅 MOSFET 和硅 MOSFET 的性能比较
      图 12：碳化硅 MOSFET 短路能力比较
第三章介绍了氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET的结构和特性。下文将比较两者的参数和实际电路。      
             氮化镓和碳化硅 MOSFET 的比较          

电参数比较

表 2 显示了氮化镓晶体管 CoolGaN 和碳化硅 MOSFET CoolSiC，比较了两种功率半导体的关键参数。      
      表2：CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC关键参数对比
从表2可以看出，氮化镓晶体管的动态参数低于碳化硅MOSFET。因此，氮化镓晶体管的开关损耗也低于碳化硅MOSFET，其优势在高工作频率下更为明显。当电流反向流动（源极到漏极）时，氮化镓晶体管的压降与其栅源驱动电压有关。两者孰高孰低需要根据具体应用情况来比较。对于最后一个阈值电压Vgs(th)，氮化镓晶体管的值非常小，这意味着必须格外注意氮化镓晶体管的驱动设计。如果栅极噪声较大，可能会导致氮化镓晶体管意外导通。同时，CoolGaN采用电流型驱动模式，这与传统的电压型驱动不同。碳化硅MOSFET的阈值电压要高得多，其驱动要求与IGBT驱动非常接近。      
图 13 展示了另一个重要参数的比较，即导通电阻 RDS(on) 随温度的变化率。众所周知，功率半导体开关的导通电阻具有正温度系数，也就是说，结温越高，导通电阻越大。从图 13 可以看出，碳化硅 MOSFET 的温升系数远小于氮化硅晶体管和硅 MOSFET。当结温为 100°C 时，二者的温升系数分别相差 30% 和 50%。根据图 13 可以看出，假设碳化硅 MOSFET 和氮化镓晶体管在 25°C 结温下的导通电阻相同，则在同一应用电路中，两者的导通损耗 (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) 相同。但是，当两者的结温升至 100°C 时，碳化硅 MOSFET 的导通损耗仅为氮化硅晶体管的 70%，这对于环境要求严苛且需要在高温下保持高效率的应用场景来说非常有吸引力。      
      图 13：碳化硅 MOSFET、氮化镓晶体管和硅 MOSFET 的导通电阻曲线随结温的变化
       

应用比较

首先，在图 7 所示的电流连续模式 (CCM) 图腾柱无桥 PFC 电路上测试了氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET 对转换效率的影响。测试条件如表 3 所示。      
      表 3：PFC 电路测试条件
在测试中，每个功率开关均测试了两个导通电阻器件。氮化镓晶体管的导通电阻 (RDS(on)) 分别为 35mΩ 和 45mΩ，碳化硅 MOSFET 的导通电阻分别为 65mΩ 和 80mΩ。测试结果如图 14 所示。由于在轻载条件下功率开关的开关损耗大于导通损耗，因此氮化镓晶体管的效率显著高于碳化硅晶体管。随着负载逐渐增加，导通损耗在总损耗中所占的比例逐渐高于开关损耗。同时，随着负载的增加，功率开关的温升也随之增大。根据图 13 中导通电阻随结温的变化率可以看出，碳化硅晶体管的导通电阻随温度的升高幅度较小。因此，尽管碳化硅晶体管在 25°C 时的导通电阻高于氮化镓晶体管，但两种功率开关在高温下的效率差异却很小。      
      图 14：碳化硅 MOSFET、氮化镓晶体管在 PFC 水平下的效率曲线
接下来，我们比较了在3kW输出功率的两相交错并联半桥LLC电路拓扑中，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET在不同工作频率下的计算效率。计算忽略了频率升高导致的磁性元件（包括谐振电感和主功率电感）损耗增加的影响。电路拓扑如图15所示。选用的氮化镓晶体管型号为IGOT60R070D1（25℃时最大导通电阻RDS(on)为70mΩ），共8个。选用的碳化硅MOSFET型号为IMZA65R048M1H（25℃时最大导通电阻RDS(on)为64mΩ），共8个。      
      图15：两相交错并联LLC电路示意图
在50%负载（1500W）和常温工作环境下，不同工作频率下的效率对比如图16所示。当工作频率较低（<100kHz）时，导通电阻相近的氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET的效率相近，两者均可达到极高的效率（>99.2%）。当工作频率提高到300kHz时，由于氮化镓晶体管的寄生参数极小，其开关损耗在总损耗中所占比例很低，因此其效率下降幅度很小（0.08%），而碳化硅MOSFET的效率则会下降0.58%（99.28%-98.7%）。当工作频率进一步提高到500kHz时，两者之间的效率差距变得非常大（1%）。当然，对于实际电路而言，考虑到频率的增加会导致磁性元件损耗的急剧增加，两者之间的效率差异不会那么大，但效率变化的趋势是相同的。      
      图 16：两种功率器件在不同工作频率下的效率比较
             氮化镓和碳化硅 MOSFET 应用建议          

根据第 3 章和第 4 章的讨论，基于英飞凌科技股份有限公司的氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET 产品，对这两种宽禁带功率半导体的应用建议如下：
（1）由于某些原因，所应用的系统必须在超过 200KHz 的频率下工作。氮化镓晶体管是首选，其次是碳化硅 MOSFET。如果工作频率低于 200KHz，则两者都可以使用；
（2）所应用的系统要求从轻载到半载都具有极高的效率。氮化镓晶体管是首选，其次是碳化硅MOSFET；
（3）如果所应用的系统具有较高的最高工作温度、散热困难或满载时需要极高的效率，则首选碳化硅 MOSFET，其次是氮化镓晶体管；
（4）所应用的系统噪声干扰较大，特别是栅极驱动干扰。碳化硅MOSFET是首选，氮化镓晶体管是次选；
（5）如果所应用的系统需要具有较大短路能力的功率开关，则碳化硅 MOSFET 是首选；
（6）对于其他没有特殊要求的应用系统，选择哪种产品取决于散热方式、功率密度以及设计人员对这两种产品的熟悉程度等因素。      
             总结          

本文详细介绍了近年来涌现的两种宽禁带功率半导体——氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET的结构、特性、性能差异及应用建议。由于宽禁带功率半导体具有硅材料半导体无法比拟的诸多性能优势，因此在业界得到了越来越广泛的应用。      
     

随着行业对宽禁带功率半导体的了解加深和应用经验的积累，两者的使用量都将大幅增长，从而带动价格下降。这将反过来促进宽禁带功率半导体的大规模应用，形成良性循环。因此，对于电子工程师而言，尽早掌握和应用宽禁带功率半导体至关重要，这有助于提升产品竞争力、提高产品知名度并增强自身能力。我相信本文对于电子工程师熟悉和应用宽禁带功率半导体具有重要的参考价值和借鉴意义。

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