摘要：
碳化硅(SiC)MOSFET是一种新型高压功率开关器件，具有导通电阻低、开关速度极快的特点。本文分析了功率MOSFET在开关电源中的功率损耗，以1200V/24A的SiC MOSFET和硅(Si)MOSFET在相同的测试条件下进行了功率损耗的对比测试。实验结果表明，在相同的驱动条件和负载条件下，SiC MOSFET的开关速度明显快于Si MOSFET，同时功率损耗明显降低，即使直接采用SiC MOSFET替代Si MOSFET也会使得开关电源的效率明显提升。
引言
目前，几乎所有的开关电源均采用硅(Si)功率半导体器件作为开关，由于Si材料本身的一些特性，使其进一步的发展受到很大限制。为了进一步提高开关电源的效率，迫切寻求一种能够承受足够高的耐压和极快的开关速度，又具有很低的导通电压的理想功率半导体器件。由于SiC材料的优良特性，在同等的耐压条件下，SiC MOSFET相比于Si MOSFET具有更高的开关速度，更小的导通电阻，更小的开关损耗和导通损耗。随着碳化硅(SiC)材料的快速发展，SiC功率半导体器件在开关电源领域得到了广泛关注，有替代Si半导体器件之势。
为了对比SiC MOSFET与Si MOSFET在开关电源中的功率损耗，分析了开关电源MOSFET功率损耗的影响因素，包括导通损耗和开关损耗，并采用实验的方法，在相同驱动条件和负载条件下，分别测试了SiC MOSFET和Si MOSFET在反激式开关电源电路中的工作性能和功率损耗。
1、开关电源的功率损耗分析
开关电源中MOSFET的功率损耗主要是导通损耗和开关损耗。具体分析如下：
1.1导通损耗
开关电源中MOSFET的导通损耗PQ的大小由MOSFET的导通电阻RQ(on)决定，导通损耗PQ的计算如公式(1)：
其中，IPrms为流过开关管的有效值电流。在IPrms保持不变的条件下，PQ与导通电阻RQ(on)呈正比关系。
RQ(on)的大小随MOSFET的结温T发生变化，具体关系为Q(on)∞TRγ，其中γ为常数，Si的γ值为2.42，而SiC的γ值为1.3。在135℃高结温状态下，SiC MOSFET的导通电阻也仅仅上升20%，而Si MOSFET则上升240%。因此，SiC MOSFET器件适合工作在高温环境条件下，与Si MOSFET器件相比，只需要较小的散热器。
1.2开关损耗
开关损耗是由于MOSFET存在开关时间而产生的，在MOSFET的通、断过程中，由于有效的电压和电流同时作用于MOSFET，致使MOSFET的开关交叠时间较长而造成损耗。开关损耗PSW的计算如公式(2)：
MOSFET的开关损耗PSW主要包括开通损耗PSW（on）和关断损耗PSW（off）。PSW的大小不仅与开关管的漏-源电压uds和漏极电流id有关，还与开关管的开通时间ton和关断时间toff有关。MOSFET栅极-漏极之间的米勒电容(MillerCapacitance)越小，MOSFET的开关速度越快，开关损耗越小。
在相同电源母线电压US、相同输出功率条件下，反激式开关电源的开关损耗主要是关断损耗PSW（off）。由于开通过程中漏-源电压uds从电源母线电压US减小到接近0时，漏极电流id上升缓慢，因此，相对关断损耗PSW（off），开通损耗PSW（on）很小，几乎可以忽略。
2、SiC MOSFET与Si MOSFET的开关特性对比测试
用于对比测试的反激式开关电源电路由EMC防护电路、高频变压器、功率MOSFET开关管、PWM驱动电路、RCD钳位电路、反馈电路和输出整流滤波电路组成。电源输入端输入电压为交流380V，MOSFET开关管的开关频率设为50kHz。
测试中选用的SiC MOSFET和Si MOSFET均为1200V/24A器件，其主要参数如表1。
测试设备：TPS2024隔离通道示波器，×50电压探头，TCP305A电流探头。
2.1、SiC MOSFET和Si MOSFET的开关速度对比测试
首先通过分别测试SiC MOSFET和SiC MOSFET在开通过程中的栅-源电压变化来对比SiC MOSFET和Si MOSFET的开关速度，SiC MOSFET和Si MOSFET开通过程的栅-源电压的波形如图1所示，图1(a)为SiC MOSFET的栅-源电压波形，图1(b)为Si MOSFET的栅-源电压波形。
图1中，SiC MOSFET的上升时间为340ns，而SiMOFET的上升时间为3880ns，很显然SiC MOSFET比Si MOSFET快一个数量级。
同时可以看出，由于米勒电荷的作用造成的栅-源电压的平台时间也不相同，SiC MOSFET的平台时间不到100ns，而Si MOSFET的平台时间至少要1μs。
如果仅仅靠栅-源电压波形还不足以说明问题，还可以通过两种器件在关断过程中漏-源电压波形的对比说明。在关断过程中，SiC MOSFET和Si MOSFET的漏-源电压上升波形如图2所示。图2(a)为SiC MOSFET漏极-源极电压uds波形，图2(b)为Si MOSFET漏极-源极电压uds波形。
从图2中可以看出，SiC MOSFET的上升时间为92ns，而SiMOFET的上升时间为500ns，SiC MOSFET的关断速度明显快于Si MOSFET，因此，SiC MOSFET的关断损耗PSW（off）会明显小于Si MOSFET的关断损耗。
2.2、MOSFET功率损耗的对比测试
利用TPS2024隔离通道示波器自带的测试计算软件分别计算出SiC MOSFET和Si MOSFET在1个开关周期内的开通损耗、关断损耗、导通损耗和总损耗，具体结果如图3所示。图3(a)为SiC MOSFET的器件损耗测试结果，图3(b)为Si MOSFET的器件损耗测试结果。图3中通道1均为MOSFET的漏-源电压uds的波形，通道2为漏极电流id的波形。
由图3可以看到，由于SiCMOFET的开关速度明显快于Si MOSFET，因此在关断(关闭)损耗方面有明显的差别。SiC MOSFET的关断损耗为6.26W，而Si MOSFET的关断损耗则为61.0W。由于测试中受PWM芯片驱动电压的限制，MOSFET的栅极驱动电压为12V，SiC MOSFET的导通电阻约为20V栅极电压下的3倍以上，因此SiC MOSFET在导通(传导)损耗上并没有显现优势，均为2.59W。由于反激式开关电源的开关损耗主要是关断损耗PSW（off），开通损耗PSW（on）很小，在测试中，两种器件的开通(开启)损耗均为0。
如果SiC MOSFET的栅极驱动电压达到20V，导通电阻会降低到12V栅极电压状态下的1/4，则结温在室温状态下的导通损耗会降低到图3中数值的1/4。
3、开关电源效率的对比测试
相对于Si MOSFET，SiC MOSFET的高开关速度，在本测试的反激式开关电源中明显地降低了功率损耗，为了进一步验证SiC MOSFET在开关电源中对功率损耗的影响，分别对采用SiC MOSFET和Si MOSFET的开关电源输入功率进行测试，结果如图4所示。图4(a)为采用SiC MOSFET时开关电源的输入功率，图4(b)为采用Si MOSFET时开关电源的输入功率。
从图4可以看出，采用SiC MOSFET的开关电源输入(有效)功率为1.28kW，采用Si MOSFET的开关电源输入(有效)功率为1.33kW，两者相差0.05kW，为Si MOSFET的损耗高于SiC MOSFET的部分，占总输入功率3.8%，表明即使直接用SiC MOSFET替代Si MOSFET也会提高近4%的效率，如果将栅极驱动电压提升至20V，则效率的提高会更明显。
4、结论
测试结果表明，栅极驱动电压为12V条件下，采用SiC MOSFET替代Si MOSFET会明显降低开关电源的损耗，提高开关电源近4%的效率，如果将栅极驱动电压提升至20V，则效率的提高会更明显。SiC MOSFET是一个性能优异的高压开关器件，不仅具有良好的阻断能力、低导通电压，同时具备了极快的开关速度，是众多的高压可关断型电力半导体器件中的佼佼者。其极快的开关速度可以用于高压、高频的开关功率变换领域。
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