氮化镓GaN还是碳化硅SiC？（下）

应用对比

首先在图7所示的电流连续模式(CCM)的图腾柱(totem-pole)无桥PFC电路上对氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET对转换效率的影响进行了测试，测试条件如表3所示。

表3：PFC电路测试条件

测试中每种功率开关都测试了两种导通电阻的器件，对于氮化镓晶体管，RDS(on)分别为35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET则分别是65mohm和80mohm。测试结果如图14所示。在轻载情况下由于功率开关的开关损耗高于导通损耗，因此氮化镓晶体管的效率明显高于碳化硅晶体管。当负载逐渐加重时，导通损耗在总损耗中的占比高于开关损耗。同时由于负载加大，功率开关的温升升高，而根据图13导通电阻随结温的变化率可知碳化硅晶体管的导通电阻随温度上身而增加较小，因此在高温下两种功率开关的效率差异已经非常小，虽然碳化硅晶体管的25°C下的导通电阻是高于氮化镓晶体管的。

图14：碳化硅MOSFET，氮化镓晶体管在PFC级效率曲线

接下来对用于3KW输出功率，采用两相交错并联半桥LLC的电路拓扑中的氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET在不同工作频率下的计算得到的效率进行比较，计算中忽略掉了频率上升导致磁性元件（包括谐振电感，主功率电感）损耗上升的影响。电路拓扑如图15所示。氮化镓晶体管选用的型号为IGOT60R070D1(25°C下的最大RDS(on)为70mohm)，共8颗。碳化硅MOSFET选用的型号为IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS(on)为64mohm)，共8颗。

图15：两相交错并联LLC电路示意图

在50%负载（1500W），常温工作环境下，不同工作频率下的效率对比如图16所示。在工作频率较低（<100khz）时，采用导通电阻相近的氮化镓晶体管和碳化硅mosfet效率相近，且都可以达到非常高(>99.2%)的效率，当工作频率提升到300KHz后，氮化镓由于其非常小的寄生参数，开关损耗占总损耗的比例较低，因此其效率的降低很小（0.08%），而碳化硅MOSFET的效率会下降0.58%（99.28%-98.7%）。当工作频率上升到500KHz后，两者效率差距就很大了（1%）。当然如果对于一个实际的电路，考虑到频率上升会引起磁性元件损耗的急剧上升，两者的效率差异就不会这么大，但是效率变化的趋势是一样的。

图16：两种功率器件在不同工作频率下效率对比

氮化镓和碳化硅 MOSFET应用建议

根据第3章和第4章的论述，基于英飞凌科技有限公司的氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET产品，对于这两种宽禁带功率半导体的应用建议如下：

（1）所应用系统由于某些原因必须工作于超过200KHz以上的频率，首选氮化镓晶体管，次选碳化硅MOSFET；若工作频率低于200KHz，两者皆可使用；

（2）所应用系统要求轻载至半载效率极高，首选氮化镓晶体管，次选碳化硅 MOSFET；

（3）所应用系统工作最高环境温度高，或散热困难，或满载要求效率极高，首选碳化硅 MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（4）所应用系统噪声干扰较大，特别是门极驱动干扰较大，首选碳化硅 MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（5）所应用系统需要功率开关有较大的短路能力，首选碳化硅 MOSFET；

（6）对于其他无特殊要求的应用系统，此时根据散热方式，功率密度，设计者对两者的熟悉程度等因素来确定选择哪种产品。

总 结

本文对近年来出现的宽禁带功率半导体即氮化镓晶体管和碳化硅 MOSFET的结构、特性、两者的性能差异和应用建议进行了详细的介绍。由于宽禁带功率半导体有着许多硅材料半导体无法比拟的性能优势，因此工业界越来越多地趋向使用它们。

而随着业界对两者的熟悉程度和应用经验越来越高，两者的使用量会急剧上升，从而带动两者价格的下降，这又会反过来推动宽禁带功率半导体被更大规模的使用，形成良性循环。因此尽早掌握和使用宽禁带功率半导体对于电气工程师提高产品的竞争力，提高产品知名度以及自身的能力都具有非常重要的意义。相信本文对于电气工程师熟悉和使用宽禁带功率半导体具有非常大的参考和借鉴意义。