SiC MOSFET——降低功率损耗，迈向碳中和

功率器件的兴起带动了电力电子产业的全面革命，功率半导体器件作为电力电子设备的关键组成部分，直接影响着这些电力电子设备的成本和效率。电力电子未来发展的趋势之一是使用更高的开关频率以获得更紧密的系统设计，在高开关频率高功率的应用中SiC器件优势明显，这就使得SiC MOSFET在5G****、工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统以及能源储存等场景中的需求量不断提升。

SiC MOSFET的特性

基于SiC材料的器件拥有比传统Si材料制品更好的耐高温耐高压特性,从而能获得更高的功率密度和能源效率。由于碳化硅（SiC）的介电击穿强度大约是硅（Si）的10倍，允许使用更薄的漂移区来维持更高的阻断电压，这使得SiC功率器件可以提供高耐压和低压降。更薄以及更高注入的漂移区可以带来更低的正向压降以及导通损耗，与相同耐压条件下的Si相比，SiC器件中的单位面积导通电阻更低。

另一方面，由于SiC MOSFET是单极器件，即便在高压产品中，也只能通过电子工作，因此不会产生拖尾电流；同时，与Si IGBT相比，其关断损耗也较低。因此，SiC MOSFET能够在高频范围内运行，这对于Si IGBT来讲，是很难实现的。此外，无源元件也有助于设计小型化。

SiC材料拥有3.7W/cm/K的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升。可以说SiC材料的出现使得MOSFET及肖特基二极管的应用范围可以推广到高压领域。

图1 栅极输入电荷和导通电阻

与传统的硅Si IGBT（低栅极输入电荷等）相比，东芝的TW070J120B 1200V SiC MOSFET可提供更高的开关速度、低导通电阻和高栅极电压阀值（Vth），可预防故障；较宽的栅极-源极电压（VGSS），支持更简单的栅极驱动设计。

TW070J120B的V_GSS，V_th与其他公司产品的比较

使用SiC MOSFET的好处是什么？

我们以使用SiC MOSFET的2kVA输出单相逆变器为例，分析使用SiC MOSFET的好处是什么。

将现有产品电路中的IGBT被替换为TW070J120B。相电流为10A时的开关损耗将导致2.5W的开通损耗和1.5W的关断损耗。开关损耗的显着降低在很大程度上归功于SiC MOSFET增强的开关特性。

通过用TW070J120B替换IGBT，导通和关断损耗显着降低，总损耗降低了5.9W（从14.4W降低到8.5W）。SiC MOSFET由于碳化硅（SiC）特有特性（及其宽带隙特性），实现了高耐压、低导通电阻和高速开关特性。与IGBT不同，新器件结构不会产生拖尾电流，这意味着可将开关损耗保持在较低水平。通过更改此处提及的现有2kVA单相逆变器产品的开关元件（将IGBT替换为SiC MOSFET），额定运行期间每个器件的损耗将从14.4W降至仅8.5W，这相当于损耗降低了约41%。这主要归功于SiC MOSFET卓越的开关能力。

除了降低损耗外，SiC MOSFET在高温环境下具有优异的工作特性，可简化现有散热措施。此外，由于开关损耗非常低，系统可在比IGBT开关可支持频率更高的频率下运行。如能提高开关频率，就可以降低外围器件（线圈和电容器）的使用，从而节省空间和成本，并使产品具有更大的竞争优势。

在升级为SiC MOSFET过程中，东芝除了成功解决了功率损耗问题，东芝还提供了大量的额外技术支持。东芝正持续地开发新创新技术，以持续提高SiC MOSFET性能，并扩大基于碳化硅（SiC）的功率器件产品线，为碳中和的目标而努力。