過去十年，碳化硅(SiC)功率器件因其在功率轉換器中的高功率密度和高效率而備受關注。制造商們已經開始采用碳化硅技術來開發基于各種半導體器件的功率模塊，如雙極結晶體管(BJT)、結型場效應晶體管(JFET)以及現在的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。

在這些碳化硅功率器件的開關性能中，制造商通常需要在柵極驅動復雜性和所需性能之間進行權衡，特別是對于碳化硅BJT和碳化硅JFET。然而，隨著碳化硅MOSFET的引入，開發人員能夠在保持最低柵極復雜性的同時實現高性能的功率器件。

一直基于碳化硅的MOSFET功率器件的主要制造商Onsemi，該公司認為，從柵極驅動的角度來看，碳化硅MOSFET的低跨導可能是一個問題。碳化硅MOSFET在高電壓、高頻率和開關性能方面具有最佳組合。它們是電壓控制的場效應器件，能夠在更高的開關頻率下切換與IGBT相同電壓的負載，而這些頻率遠高于低電壓的硅MOSFET。

丹麥技術大學的Riccardo Pittini、Zhe Zhang和Michael A.E. Andersen在其研究論文中基于實驗結果對各種商用1200V硅和碳化硅功率器件的開關損耗進行了分析。

該研究文章題為“商業SiC功率器件開關性能評估與柵極驅動復雜性的關系”，對如Si IGBT、SiC on-JFET、SiC off-JFET和SiC MOSFET等1200V功率器件的開關性能進行了比較。總體而言，研究人員得出結論，對于基于SiC器件的設計，柵極驅動成本對整體成本的影響最小，主要成本來自功率半導體本身。

碳化硅功率器件的柵極驅動電路

在半導體功率器件的設計中，選擇正確的柵極驅動器非常重要。它可以影響SiC功率器件可能提供的性能提升。因此，每個功率半導體(SiC JFET、SiC MOSFET和SiC IGBT)都必須使用能突出器件性能的驅動器進行測試。研究人員使用了兩種柵極驅動拓撲結構：一種是簡單的柵極驅動器，它用兩個電壓等級驅動測試器件;另一種是用于SiC off-JFET的更復雜的柵極驅動器。

在上面的圖1中，我們可以看到簡單柵極驅動拓撲結構的連接方式如下：

IGBT柵極驅動：陽極連接到控制器集成電路的輸入信號，而陰極接地。電源來自Vcc端口，電壓為+15V，然后通過一個電容連接到地(Vee)。輸出通過一個電阻Rg(2.5歐姆)取得，隨后連接到測試設計的晶體管(DUT)。

SiC on-JFET柵極驅動：Vcc這里通過-15V電壓連接到地(Vee)。輸出也有電阻連接。

SiC MOSFET柵極驅動：相同的電路，但在柵極驅動功能圖的另一端有一些變化。Vcc電壓為+20V，而Vee電壓為-4V。

在上面的圖2中，我們可以看到用于碳化硅off-JFET的復雜柵極驅動拓撲結構。這些器件需要一個短的高電流脈沖來打開器件，并需要一個小的直流電流來維持低歐姆通道。該拓撲需要2V電壓來保持通常關閉的JFET處于導通狀態，這通過一個12V電壓和一個120歐姆的柵極電阻產生。該解決方案的缺點是導通狀態的柵極電阻需要消耗少量功率。

實驗結果和分析

主要研究比較了IGBT和通常打開的SiC JFET的開關性能，重點是無需更改柵極驅動器即可通過SiC器件實現的性能改進。在下面的圖3中可以看到，IGBT和on-JFET的導通損耗相似，在高電流水平下on-JFET的導通損耗略低。IGBT的關斷損耗高于on-JFET的關斷損耗。整體觀察表明，在相同的柵極驅動復雜性和無其他更改的情況下，on-JFET可以比IGBT減少大約40%的開關損耗。

同樣，研究人員調查了SiC off-JFET和SiC MOSFET的開關性能。SiC MOSFET的導通損耗在所測電流范圍內具有線性特性。JFET的導通損耗則呈指數行為。

兩種器件的關斷損耗相似，差異最小，以至于某些數值下兩條曲線幾乎重疊。總體觀察器件損耗顯示，適當驅動的SiC off-JFET相較于SiC MOSFET在不同電流水平下可減少高達33%的開關損耗。

所有測試器件的總開關損耗的最終比較圖表顯示，在低電流水平下，IGBT的開關性能與其他SiC器件的開關性能相差不大。還觀察到，SiC off-JFET提供了極低的損耗和快速的開關瞬變。

研究人員表示，對于通用應用，引入使用優化柵極驅動的SiC功率器件可以替代Si IGBT，以實現根據轉換器和電壓、電流水平減少高達70%至80%的開關損耗。