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　　碳化硅功率器件在过去十年中获得了发展势头，因为它们在功率转换器中具有高功率密度和效率。制造商已经开始采用碳化硅技术来开发基于各种半导体器件的功率模块，例如双极结型晶体管(BJT)、结型栅极场效应晶体管(JFET)，以及现在的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

　　在切换这些碳化硅功率器件的性能时，制造商经常面临栅极驱动器复杂性和所需性能之间的权衡，尤其是对于碳化硅 BJT 和碳化硅JFET。然而，随着碳化硅 MOSFET 的推出，开发人员已经能够以最小的栅极复杂性实现高性能功率器件。

　　Onsemi 一直是碳化硅基 MOSFET 功率器件的主要制造商。该公司认为，从栅极驱动的角度来看，与碳化硅 MOSFET 相关的低跨导可能是一个问题。碳化硅 MOSFET 具有高压、高频和开关性能的最佳组合。它们是压控场效应器件，能够在电压低得多的硅 MOSFET 的开关频率以上切换与 IGBT 相同的电压。

　　在 Riccardo Pittini、Zhe Zhang 和丹麦技术大学附属的 Michael AE Andersen 提交的研究论文中，根据额定电压为 1200V 的各种商用硅和碳化硅功率器件的开关损耗实验结果进行了分析.

　　题为“商业 SiC 功率器件的开关性能评估与栅极驱动器复杂性相关”的研究文章比较了 1200V 功率器件的开关性能，例如 Si IGBT、SiC on-JFET、SiC off-JFET、和 SiC MOSFET。总体而言，研究人员得出结论，对于基于 SiC 器件的设计，栅极驱动器成本对总体成本的影响最小，大部分成本来自功率半导体本身。

　　碳化硅功率器件的栅极驱动电路

　　作为半导体功率器件设计的一部分，选择正确的栅极驱动器非常重要。它会影响 SiC 功率器件可能提供的性能增强。因此，每个功率半导体(SiC JFET、SiC MOSFET 和 SiC IGBT 都必须使用能够突出设备性能的驱动器进行测试。研究人员使用了两种栅极驱动器拓扑结构：一个简单的栅极驱动器，它以两个电压驱动被测设备级，以及用于 SiC off-JFET 的更复杂的栅极驱动器。

　　我们可以看到具有以下连接的简单栅极驱动器拓扑：

　　1.IGBT 栅极驱动器。阳极连接到来自控制器集成电路的输入信号，而阴极接地。电源来自Vcc端口，+15V，然后通过电容接地(Vee)。输出通过电阻器 Rg(2.5 欧姆)获取，随后连接到用于被测设计 (DUT) 的晶体管

　　2.SiC on-JFET 栅极驱动器。这里的Vcc以-15V电位电压接地(Vee)。这里的输出也有一个电阻连接

　　3.SiC MOSFET 栅极驱动器。相同的电路，但在栅极驱动器功能图的另一端有一些变化。Vcc 具有+20V 电位，而Vee 具有-4V 电位电压。

　　我们可以看到碳化硅 off-JFET 的复杂栅极驱动器拓扑。这些设备需要一个短的高电流脉冲来开启设备，并需要一个小的直流电流来维持低欧姆通道。该拓扑需要 2V 以将常关 JFET 保持在导通状态，该电压由带有 120 欧姆栅极电阻的 12V 产生。该解决方案的缺点是导通栅极电阻必须耗散少量功率。

　　实验结果与分析

　　初步调查比较了 IGBT 和常开 SiC JFET 的开关性能，重点是在不改变栅极驱动器的情况下使用 SiC 器件可以实现的性能改进。在下面的图 3 中，可以观察到 IGBT 和 on-JFET 的导通损耗相似，在高电流水平下 on-JFET 的导通损耗略低。IGBT 的关断损耗高于 on-JFET 的关断损耗。总体观察结果是，IGBT 和 on-JFET 的总损耗表明，在栅极驱动器复杂性相同且没有额外变化的情况下，与 IGBT 相比，on-JFET 可以减少约 40% 的开关损耗。

　　同样，研究人员用碳化硅MOSFET研究了碳化硅off-JFET的开关性能。碳化硅MOSFET的接通损耗在测量的电流范围内具有线性特性。JFET的开启损失具有指数级行为。两种设备都有相似的截止损耗，差异很小;差异很小，以至于对于某些值，这两条曲线几乎重叠。对设备损耗的总体观察表明，适当驱动的碳化硅off-JFET比碳化硅MOSFET提供更好的性能，根据当前水平，开关损耗可减少高达33%。最终所有测试器件的总开关损耗对比图显示，在低电流水平下，IGBT 的开关性能与其他 SiC 器件的开关性能相差不远。还观察到 SiC off-JFET 提供极低的损耗和快速切换瞬态。研究人员表示，对于通用应用，引入具有优化栅极驱动器的 SiC 功率器件可替代 Si IGBT，以实现开关损耗降低高达 70% 至 80%，具体取决于转换器以及电压和电流水平。