面对日新月异的半导体技术，SiC-FET（MOSFET）和横向 GaN-HEMT 仍然是电源开关技术中最重要的器件之一。随着该领域的最新进展，SiC 和 GaN 在提高功率器件和高功率应用电路的性能方面发挥了巨大作用。此外，这些器件表现出更高的效率，同时大大降低了生产和实施成本。

SiC-FET（MOSFET）和横向 GaN-HEMT 就是在功率半导体领域取得重大成就的两种元件。与传统 SiC 晶圆相比，GaN 晶圆可以在类似环境下运行，在耐用性和电压降额方面故障率明显较低。所有功率半导体器件的运行电压都在 600 至 1200 伏之间，因此基于 SiC 和 GaN 的器件（如 JFET、MOSFET 和 IGBT）在此电压范围内的性能得到了极大改善。

一、功率开关器件的竞争态势

图 1 RDS 中的 xA 开发趋势。

图 1 显示了漏极和源极之间的导通电阻值 (RDS,on)，适用于多种 MOSFET，包括英飞凌 CoolMOS 系列 MOSFET。现代 SiC 开关概念有望将导通电阻降低 5 倍，但不幸的是，这被 650V 器件的高 SiC 面积成本所消耗。理想的导通电阻值为 1Ωmm²，为了实现此值，单元间距通过补偿精度减小。实验期间的观察表明，最近开发的器件的输出电容中存储的能量或 Eoss 值减少了一半，这使其更接近 SiC 和 GaN 的值。

二. 绝缘栅双极晶体管

利用局部等离子体密度，额定电压为 650V-1700V 的 IGBT 的功率密度正在得到改进和升级，以提高效率。在许多情况下，这些设备受到高电流和相关的低短路有效性的抑制。这似乎是一个限制，但可以通过适当的扩散焊接、烧结和较厚的正面功率金属作为临时散热器来解决。IGBT 的另一个缺点是缺少集成的续流二极管这意味着反向传导电压为零。因此，IGBT 总是优于所有其他电源开关技术。不幸的是，尽管目前有各种改进，但 WBG 开关提供的开关损耗只有 1/10，前提是 dV/it 较高且组装设置电感较小。

图 2(a) 输出电容存储能量对比。图 2(b) 输出电容存储电荷对比

除此之外，所有 IGBT 损耗都是双极的，由于少数载流子的不断增加，此类器件与 T 有关。这会导致温度问题增加高达 40-50%。此外，反向传导 IGBT 被认为是一种有源栅极控制，可在关闭二极管之前降低少数载流子密度。因此，这种好处取决于静态和动态损耗之间的比率，可能是 dI/dt 或 dv/dt 梯度。

Ⅲ. SiC FET

图 3 使用续流二极管的 IGBT 反向传导

四、GaN HEMT

GaN（氮化镓）比 SiC 具有更大的优势，但同时也是一种比 SiC 更难结晶和加工的材料。HEMT 技术仅在生长 GaN 晶体的衬底表面上形成元件。GaN HEMT 与其他 HEMT 的不同之处在于，它们的栅极非常低，恢复损耗为零，并且它们表现出破坏性击穿，而不是其他器件中的雪崩。这些器件基于 n 异质外延材料生长，具有低 Rds，可实现高电流密度，但它们受到低热容的阻碍。GaN HEMT 中发生的开关损耗与温度无关，因为它纯粹是类似于 MOSFET 的电容损耗。GaN HEMT 存在热失控风险，从而造成损坏，并可能造成短路。这在驱动器中消耗殆尽，交流电源断电后 PFC。

五、结论

图4 电源开关技术相关技术及性能参数分析

上表显示了各种设备及其电压范围和各自的属性。

SiC 基 IGBT 被认为是 400V-6.5kV 高压范围的最佳器件，而 GaN-on-Si HEMT 被认为是 400V-6.5kV 高压范围的最佳器件。考虑到这一点，GaN-on-Si HEMT 被认为是 30V-600V 电压范围的理想选择。如果不考虑成本标准，SiC 器件在各个方面都占上风。SiC 基器件的优点是可以在高压范围内工作而不会失去阻断能力。

最初，这是因为可以买到更大直径（150 毫米和 200 毫米）的廉价 GaN 衬底。然后，GaN 可以扩展到 650V 以上的更高电压等级，从而达到 SJ 和 IGBT 技术的极限。有许多方法可以提高设备的生产率，但由于制造成本增加，这面临的挑战是这些方法的可行性。总体而言，设备的价格越来越具有竞争力，设备特定应用的独特性的重要性正在上升。为了提高功率器件的效率和可靠性，必须对功率半导体技术中使用的各种材料进行更多的研究和开发。