來源：SERVUSTEK；作者：DR.X1

600-650V功率器件是Si SJ MOS(又稱Si 超結(jié)MOS)，SiC MOS和GaN HEMT競爭最為激烈的產(chǎn)品區(qū)間，其典型應(yīng)用為高頻高效高功率密度電力電子。通過對比分析Infineon，ST, ON, GaN Systems(已為Infineon收購)和Toshiba最新技術(shù)平臺產(chǎn)品，本文梳理了Si SJ MOS，SiC MOS和GaN HEMT的個性，共性，以及相對定位。

所選對比產(chǎn)品代表業(yè)界最新技術(shù)水平

表一列出了進(jìn)行對比分析的國際一線品牌產(chǎn)品。所選Infineon和Toshiba Si SJ MOS為其最新代次體二極管快恢系列?？旎旨夹g(shù)平臺對MOS體二極管進(jìn)行了專門優(yōu)化（如進(jìn)行pt摻雜），從而顯著降低Qrr，其性能更優(yōu)應(yīng)用范圍更廣，同時兼容軟開關(guān)和硬開關(guān)拓?fù)?。所選Infineon CM8典型導(dǎo)通電阻31mΩ，采用多層外延技術(shù)；Toshiba DTMOS VI采用深溝槽技術(shù)，典型導(dǎo)通電阻35mΩ；代表業(yè)界Si SJ MOS兩個不同的技術(shù)路徑。

SiC MOS Infineon M2H系列為溝槽MOS，導(dǎo)通電阻典型值33mΩ，ON M3S和ST G3系列為SiC平面MOS，導(dǎo)通電阻典型值分別為32和29mΩ。目前業(yè)界GaN有常開型（D-Mode）和常關(guān)型(E-Mode) HEMT（High Electron Mobility Transistor）兩種技術(shù)路徑。為減少對比復(fù)雜度，所選GaN HEMT為常關(guān)型純單管。其中GaN Systems G4典型導(dǎo)通電阻40mΩ，Infineon G5導(dǎo)通電阻典型值35mΩ。

所選Toshiba DT MOS VI為TO247封裝，其他產(chǎn)品為TOLL封裝。封裝形式對產(chǎn)品靜態(tài)參數(shù)對比沒有影響，對散熱能力和開關(guān)速度等參數(shù)則有一定影響。進(jìn)行對比時如涉及封裝影響則不把Toshiba器件納入對比。進(jìn)行對比分析所有數(shù)據(jù)的原始出處來自產(chǎn)品規(guī)格書，從用戶的視角來審視各個產(chǎn)品。

Si和SiC采用垂直型MOS結(jié)構(gòu)，GaN采用水平型HEMT結(jié)構(gòu)

Si SJ MOS和SiC MOS本質(zhì)上是MOS，而GaN則采用HEMT結(jié)構(gòu)來釋放其材料優(yōu)勢。參見圖一（a），Si SJ MOS其漂移層由周期性排列的高摻雜P-N-P柱組成，利用電荷補(bǔ)償原理顯著降低漂移層電阻。Si SJ MOS經(jīng)多年發(fā)展技術(shù)相對成熟，業(yè)界主要通過多層外延和深溝槽來實(shí)現(xiàn)SJ結(jié)構(gòu)。多層外延技術(shù)引領(lǐng)者英飛凌技術(shù)平臺已演進(jìn)到第八代（CM8），Toshiba則推動深溝槽技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其最新技術(shù)平臺為DT MOS VI。圖一（b）為SiC平面MOS結(jié)構(gòu)示意圖。目前業(yè)界最為成熟的是SiC平面MOS，溝槽MOS也在不斷成熟和發(fā)展。SiC平面MOS的技術(shù)引領(lǐng)者為ON M3S和ST G3，SIC溝槽MOS的典型代表為Infineon和Bosch。

參見圖一（c），由于無法在GaN上生長熱氧化物，GaN功率器件采用了HEMT結(jié)構(gòu)。AlGaN和GaN之間由于獨(dú)特的能帶特性在其界面處形成一層二維電子氣，通過p-GaN可耗盡柵極下自由電子氣，從而阻斷溝道達(dá)到器件常關(guān)之目的。 根據(jù)p-GaN和柵極金屬的接觸形式，E-Mode GaN HEMT可以分為SGT (Schottky Gate Transistor) HEMT和GIT (Gate Injection Transistor) HEMT。Si SJ MOS和SiC MOS的源極和漏極分別在芯片的頂部和底部，為垂直型器件；而GaN HEMT的源極和漏極均在芯片的頂部，為水平型器件。

圖一（d）為MOS和HEMT的電路示意圖，HEMT相對于MOS的最大器件區(qū)別是HEMT沒有體二極管，這使得GaN HEMT有雙向耐壓的獨(dú)有潛力，雙向溝道導(dǎo)電則是MOS和HEMT的共性。業(yè)界多年的工程研發(fā)已實(shí)現(xiàn)HEMT器件雙向耐壓和雙向?qū)щ?，且陸續(xù)有產(chǎn)品投向市場（非本文聚焦）。沒有體二極管也讓GaN HEMT無雪崩能力，一般通過提高GaN HEMT器件耐壓典型值從而規(guī)避器件面臨雪崩的可能性。

MOS和HEMT均有關(guān)斷區(qū)，線性工作區(qū)，飽和工作區(qū)

圖二（a）和（b）分別為MOS和HEMT的輸出曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。參見圖二（a）MOS和HEMT有三個工作區(qū)間：關(guān)斷區(qū)，線性工作區(qū)和飽和工作區(qū)。當(dāng)Vgs小于Vgsth時溝道被關(guān)斷，器件處于關(guān)斷區(qū)。當(dāng)Vgs大于Vgsth時（如為Vgs4），器件的導(dǎo)通電流Id一開始隨Vds的增加而增加，此時器件處于線性工作區(qū)；當(dāng)Vds增加到一定程度時Id逐漸趨于飽和電流，此時器件處于飽和工作區(qū)。

圖二（b）為MOS和HEMT在飽和工作區(qū)的轉(zhuǎn)移特性曲線，當(dāng)Vgs大于Vgsth時，Id隨Vgs的增大而迅速增大，且基本不受Vds的影響。轉(zhuǎn)移特性曲線可以用來確定器件開關(guān)的米勒（Miller）平臺電壓。

在大部分應(yīng)用中，器件在其漫長的生命周期要么處于關(guān)斷區(qū)，要么處于線性工作區(qū)；器件硬開通時從關(guān)斷區(qū)穿越飽和工作區(qū)進(jìn)入線性工作區(qū)，而硬關(guān)斷時從線性工作區(qū)穿越飽和工作區(qū)進(jìn)入關(guān)斷區(qū)。器件處于線性工作區(qū)時，柵極閾值電壓Vgsth,推薦驅(qū)動電壓，導(dǎo)通電阻Rdson，體二極管Vfsd等，是比較關(guān)鍵的靜態(tài)參數(shù)。開關(guān)時的動態(tài)參數(shù)，如Ciss / Crss / Qgs / Qgd/ Qg, Coss / Eoss / Qoss，Qrr,開關(guān)時間及損耗，則比較關(guān)鍵。下面將對這些動靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比，從而了解Si SJMOS，SiC MOS和GaN E-mode HEMT的異同。

GaN HEMT Vgsth和推薦驅(qū)動電壓相對較低，Si SJ MOS和SiC MOS適中

作為背景信息，圖三給出600V – 1200V Si基IGBT和SJ MOS的Vgsth典型值。Si SJ MOS Vgsth一般位于3-4.5V之間。普通IGBT Vgsth一般為5-6V，針對電源類應(yīng)用的IGBT Vgsth也可優(yōu)化到4V左右。Si SJ MOS一般推薦10-15V驅(qū)動，而Si IGBT則推薦15V驅(qū)動。

溝槽型SiC MOS其Vgsth典型值為4-4.5V左右，SiC平面MOS Vgsth則介于2.7-3V之間。主流SiC平面和溝槽MOS均首推18V驅(qū)動且兼容15V驅(qū)動。GaN Systems G4采用SGT GaN HEMT結(jié)構(gòu)，Vgsth典型值為1.7V，推薦驅(qū)動電壓6V左右，Infineon G5 GaN為GIT HEMT結(jié)構(gòu)，Vgsth為1.2V左右，推薦驅(qū)動電壓3-3.5V。

考慮到GaN的高速開關(guān)特性，GaN HEMT的低Vgsth和推薦驅(qū)動電壓給應(yīng)用帶來一定的挑戰(zhàn)；SiC MOS則很好的和Si SJ MOS和Si IGBT相兼容，客戶可相對容易從Si SJ MOS和Si IGBT過渡到SiC MOS。

SiC MOS Rdson隨溫度變化最小，Si SJ MOS和GaN則旗鼓相當(dāng)

在實(shí)際使用場景中功率器件一般工作于高溫狀態(tài)，對比Rdson隨溫度的變化對應(yīng)用更有意義。圖四對比了Si SJ MOS，SiC MOS和GaN HEMT Rdson隨溫度的變化，為方便對比圖中對Rdson進(jìn)行了歸一化處理，即常溫下的Rdson歸一化為“1”。

參見圖四由于漂移層電阻的影響Si SJ MOS，SiC MOS和GaN HEMT Rdson均隨溫度增加而增加，Si SJ MOS和GaN HEMT Rdson的增速類似，并大于SiC MOS。在150℃時Si SJ MOS和GaN HEMT的Rdson溫度系數(shù)介于2.1-2.5，SiC MOS則處于1.2 – 1.5。Si SJ MOS和GaN HEMT最大標(biāo)稱結(jié)溫為150℃，而SiC MOS為175℃。這給SiC MOS帶來兩大優(yōu)勢：高結(jié)溫可降低散熱要求并提高器件電流能力；在確保高溫同樣導(dǎo)通電阻的前提下，可用室溫電阻稍大擋位產(chǎn)品，如用50-60mΩSiC MOS產(chǎn)品替代Si SJ MOS和GaN HEMT 30-40mΩ產(chǎn)品。

Si SJ MOS體二極管Vfsd相對較小，SiC MOS和GaN HEMT則不相上下

當(dāng)對器件漏極加負(fù)壓時，如GaN HEMT漏極和柵極壓差大于Vgsth，則器件溝道被打開從而導(dǎo)電；這讓HEMT表現(xiàn)出“準(zhǔn)體二極管“特性，但其本質(zhì)還是溝道導(dǎo)電，而非像MOS那樣由體二極管導(dǎo)電。

圖五對比了Si SJ MOS, SiC MOS和GaN HEMT的Vsd常溫和高溫性能，圖中柱狀為常溫下數(shù)據(jù)，其它為高溫下數(shù)據(jù)。Si SJ MOS Vfsd在1V左右,較SiC MOS和GaN HEMT低2-3V，SiC MOS Vfsd介于3-4.5V，GaN HEMT常溫下Vfsd介于3-4V而高溫下則升到4-7V左右。SiC MOS和GaN HEMT因體二極管導(dǎo)電而產(chǎn)生的損耗相對較大，但這并不妨礙其整體優(yōu)異特性。

MOS和HEMT的動態(tài)開關(guān)過程類似

MOS和HEMT的開關(guān)就是對各類電容如Ciss, Coss和Crss充放電。其中Ciss=Cgs+Cgd，Coss=Cgd+Cds，Crss=Cgd,圖六為MOS和HEMT硬開通時Vgs，Ids (又稱Id)，及Vds隨時間變化的示意圖，在t1到t2階段，器件處于關(guān)斷，柵極驅(qū)動主要對Cgs充電，在t2到t3階段，柵極驅(qū)動仍然對Cgs充電，由于Vgs大于Vgsth，Id遵循飽和工作區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線迅速增加。由于陪測體二極管Qrr的作用MOS Id在t3時達(dá)到最大值，而GaN HEMT的Id則在此時達(dá)到器件的目標(biāo)輸出電流，在t2-t3區(qū)間的Vds下降則由系統(tǒng)的寄生電感引起，此區(qū)間內(nèi)器件處于飽和工作區(qū)。

在t3到t4階段，Vgs位于米勒平臺電壓Vgspl，此階段Cgd和Cds經(jīng)歷放電（Cgd也經(jīng)歷進(jìn)一步反向充電）Vds下降到器件開通時的電壓，由于陪測管Qoss的作用GaN HEMT Id達(dá)到最大值且在t4時刻恢復(fù)到器件導(dǎo)通時的輸出電流，此階段結(jié)束時器件進(jìn)入線性工作區(qū)。在t4到t5階段，柵極驅(qū)動進(jìn)一步的對Ciss充電，達(dá)到目標(biāo)驅(qū)動電壓，降低器件的導(dǎo)通電阻。

MOS和HEMT的關(guān)斷過程和開通過程類似，通過對各種電容的相關(guān)過程進(jìn)行分析，可以得到關(guān)斷時相應(yīng)Vgs, Vds及Id波形。

GaN HEMT Qgs, Qgd, Qg最低，SiC MOS其次，Si SJ MOS較大

如前文所述，柵極驅(qū)動在器件開啟時與Cgs和Cgd的作用分為三個階段，在第一階段主要對Cgs充電，對Ciss（Ciss @ Vdd）進(jìn)行積分可得Qgs（即圖6 Qgs1+Qgs2），此階段結(jié)束時Vgs達(dá)到米勒平臺電壓；在第二階段Cgd經(jīng)歷放電及反向充電，對Cgd積分即得Qgd;在第三階段對Cgs進(jìn)行充電以達(dá)到推薦驅(qū)動電壓，對Ciss（Ciss@Vdson）進(jìn)行積分即可得相應(yīng)的充電量。上述三階段所需電荷的總和即為Qg。Qg越大相應(yīng)的驅(qū)動損耗也越大，Qg和驅(qū)動電流共同決定器件的開關(guān)速度。

圖七（a）給出了典型Si SJ MOS，SiC MOS和GaN HEMT Ciss和Crss隨Vds變化的曲線。整個Vds電壓范圍內(nèi)GaN HEMT Ciss最低，SiC MOS其次，Si SJ MOS最大。相應(yīng)的GaN Qgs也最低（參見圖七（b）及插圖），為1.3nC左右，SiC MOS Qgs介于8-15nC,而Si SJ MOS Qgs則介于21-40nC之間。對Crss即Cgd來說，GaN HEMT普遍低于SiC MOS，在0-10V的Vds區(qū)間Si SJ MOS Cgd顯著大于SiC MOS和GaN HEMT，然后迅速降至SiC MOS和GaN HEMT同等水平，這導(dǎo)致Si SJ MOS Qgd最大為28-35nC,而SiC MOS和GaN HEMT的Qgd則分別處于6–18.5nC和2-4nC的區(qū)間。仔細(xì)觀察圖七（b）可以發(fā)現(xiàn)SiC MOS米勒平臺電壓隨Qg的增大而增大，這是由于其短溝道效應(yīng)造成。

Si SJ MOS，SiC MOS和GaN HEMT Eoss旗鼓相當(dāng)，Qoss Si SJ MOS最大

Coss*Vds對Vds的積分為Eoss,器件硬開通時Eoss對器件加熱而損失掉。Coss對電壓的積分則為Qoss，代表器件耐壓時存儲在Coss的電量，Qoss大小不隨外界條件（如溫度）變化而變化，陪測管的Qoss作為開通時電流尖峰的一部分（參見圖6 t3-t4 Id陰影部分）增加器件的開通損耗。

圖八為Si SJ MOS, SiC MOS和GaN HEMT Coss隨Vds的變化，插圖為母線電壓400V時器件的Eoss和Qoss。Vds在0-30V時Si SJ MOS的Coss比SiC MOS和GaN HEMT至少大一個數(shù)量級，然后迅速下降到SiC MOS和GaN HEMT的同等甚至更低水平。GaN HEMT Eoss最低為∽8uJ，SiC MOS其次為8.8-15uJ，而Si SJ MOS位于10.6-17.8uJ之間。Si SJ MOS Qoss顯著大于SiC MOS和GaN HEMT。

SiC MOS和GaN HEMT Qrr類似，Si SJ MOS較大

從嚴(yán)格意義上說Qrr=Qbip+Qoss，其中Qbip與體二極管正向?qū)〞r存貯在器件漂移層的少子電荷有關(guān)。 與Qoss不同，Qbip大小受di/dt, If,溫度等多個因素影響。且測試時系統(tǒng)寄生電感的影響也需要考慮，JEDEC 2024年8月發(fā)布的針對SiC MOS Qrr的測試標(biāo)準(zhǔn)JEP201，有利于正確測試Qrr。

圖九給出JEDEC201 SiC MOS Qrr計算方式，與Si MOS Qrr計算最大的區(qū)別是SiC MOS Qrr的積分上限為Vds達(dá)到0.98Vdd的時刻，而非反相電流第一次達(dá)到0的時間點(diǎn)(Si mos Qrr積分上限)。其原因為：由于系統(tǒng)寄生參數(shù)的影響，當(dāng)反相電流達(dá)到0時（參見圖中電流虛線）器件耐壓會仍低于母線電壓，這讓按照Si MOS標(biāo)準(zhǔn)計算的Qrr失去參考意義?？焖倥袛喈a(chǎn)品規(guī)格書Qrr計算是否合適時可檢查其Qrr相對Qoss的大小。本文進(jìn)行Qrr對比時Qrr統(tǒng)一定義為Qbip+Qoss。

表二列出Si/SiC MOS和GaN的Qrr，Qoss和Qbip。Qoss根據(jù)Coss曲線計算而得，Qbip為Qrr和Qoss的差值。Si SJ MOS Qoss比SiC MOS大一個數(shù)量級，Qbip貢獻(xiàn)占Qrr 30-44%。SiC MOS和GaN HEMT Qrr類似，比Si SJ MOS小10倍以上，Qbip占Qrr 5%不到。這使得SiC MOS和GaN HEMT相對于Si SJ MOS更能勝任各類軟開關(guān)和硬開關(guān)拓?fù)?。硬開通時SiC MOS和GaN HEMT由于Qrr貢獻(xiàn)而產(chǎn)生的損耗也顯著低于Si SJ MOS。

SiC MOS和GaN HEMT開關(guān)速度和損耗旗鼓相當(dāng)，Si SJ MOS相對較大

器件開關(guān)速度和開關(guān)損耗是客戶最為關(guān)注的核心動態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)和器件所處的外界環(huán)境，如產(chǎn)品封裝形式，驅(qū)動設(shè)計，系統(tǒng)寄生雜感等息息相關(guān)，且每個器件的最佳工作條件也不盡相同。盡管如此，對這兩類參數(shù)的對比可給出一個定性的參考，從而有利于器件選型和系統(tǒng)優(yōu)化。

圖十給出了各類TOLL封裝Si SJ MOS，SiC MOS和GaN HEMT產(chǎn)品的開關(guān)時間對比，由于tdoff的貢獻(xiàn)Si SJ MOS開關(guān)相對SiC MOS和GaN HEMT較慢，而SiC MOS和GaN HEMT的開關(guān)時間則介于30到60 ns之間，Infineon M2H SiC MOS和GaN Systems G4 GaN HEMT開關(guān)速度最快，分別為37.7和31ns，其開關(guān)損耗也基本類似為57-60uJ（參見圖十表格），考慮到GaN和SiC MOS導(dǎo)通電阻的高溫特性，M2H整體性能優(yōu)于GaN HEMT G4。也可用50-60mΩSiC MOS去對標(biāo)30-40mΩGaN HEMT，從而獲得性能和成本的平衡。

Si，SiC和GaN功率器件異同小結(jié)

綜上所述，GaN HEMT Vgsth和驅(qū)動電壓較小，在實(shí)際應(yīng)用中對系統(tǒng)設(shè)計能力要求較高。由于材料本身或器件結(jié)構(gòu)的原因SiC MOS和GaN HEMT Vfsd較Si MOS大，這導(dǎo)致體二極管續(xù)流時損耗大。在開關(guān)速度，開關(guān)效率和Qrr（Qoss+Qbip）方面SiC MOS和GaN HEMT旗鼓相當(dāng)優(yōu)于Si SJ MOS。由于體二極管的缺失GaN HEMT Qrr不存在Qbip貢獻(xiàn)，這讓器件缺失雪崩能力，但也成就其獨(dú)有的雙向耐壓能力。SiC MOS是Si SJ MOS在高頻，高效，高功率密度應(yīng)用方面的自然延伸。當(dāng)應(yīng)用和器件設(shè)計能充分發(fā)揮GaN HEMT特有的雙向耐壓特性時，GaN會在自己獨(dú)有的領(lǐng)域大放異彩。目前GaN相對于SiC MOS主要聚焦在小功率應(yīng)用，如何解決散熱從而進(jìn)軍大功率應(yīng)用則是GaN的下一挑戰(zhàn)。