尽管半导体技术领域取得了进步，但今天仍在使用由硅组成的传统电力电子系统。硅绝缘双极晶体管一直被用于电压源转换，以创建柔性交流输电系统（FACTS）和高压直流输电（HVDC）。为了在性能方面进一步提高效率，并考虑到器件的总体成本，碳化硅（SiC）是电子领域的新趋势。

SiC具有比Si优越的物理和电学性能，因此在广泛的电力电子应用中使用。包括SiC的半导体器件具有强的折衷击穿场强度，因此可以看到具有更高阻挡电压能力的减小的漂移区厚度。

在实验过程中，在高电压条件下和20kV的阻断电压下测试了MOSFET、IGBT、SB二极管和PiN二极管等高压SiC器件的性能。还进行了测试，以进一步将阻断电压扩展到20kV，例如SiC MOSFET和SiC GTO。

一了解各种实验模型

在进行该实验的同时，有四个模型在超高压传导中进行了研究和分析。

A.通用建模方法：在通用建模方法中，有一个初始假设，其中包括各种电气参数，如栅极驱动能力、栅极电阻和杂散电感。在这种方法中，在总功率损耗的计算中使用了导通损耗和开关损耗。这样，就可以确定给定最大功率耗散极限的最大允许电流密度和开关频率，例如PD，MAX=300W/cm2。

上述方程分别示出了导出的总功率和计算的最大频率。

图1阻挡电压是漂移区掺杂浓度和漂移区宽度的估计漂移区掺杂密度的函数。

图1显示了作为漂移层掺杂浓度的函数的理论阻断电压，图2显示了该模型中使用的器件的特定漂移区掺杂浓度和漂移区宽度。

B.SiC MOSFET模型：为了确定SiC MOSFET的导通状态特性，器件中继承了MOS沟道电阻、漂移区电阻和衬底电阻等参数。对于阻断电压高于1.2kV的MOSFET器件，从漂移区产生的电阻贡献高于其他贡献电阻。

图2 SiC MOSFET峰值跨导和阈值电压的温度依赖性，SiC MOSFET导通功率损耗密度和开关功率损耗密度的模拟结果

上图显示了10kV SiC MOSFET的温度相关和峰值跨导及电压参数。开关电压保持在阻断电压的60%（VDS＝0.6VB）。此外，还给出了导通功率损耗密度和开关功率损耗密度的仿真结果。当J＝15A/cm2和T＝300K时，估计的传导功率损失密度在10kV至20kV的范围内为30W/cm2至60W/cm2。

C.SiC IGBT模型：双极性SiC器件的导通损耗由两部分组成——位于附近的拐点电压（VKNEE）和器件中存在的类似于RON的固有电阻元件。

图3 SiC IGBT拐点电压、模拟SiC IGBT导通功率损耗密度和开关功率损耗密度。

SiC具有许多最先进的高压特性，可用于提取VKNEE和RON参数，如图所示。3。SiC IGBT的正向电压降可以表示为：

由上式可知，LCH是MOS沟道长度，μni是沟道迁移率，p是单元间距，VG是栅极电压，COX是氧化物电容，其可由COX=εOX/tOX确定。没有考虑二极管的反向恢复，而是假设导通能量损失等于关断能量损失。该器件的开关特性取决于当导通并且电荷载流子在IGBT漂移结构区域内被去除时续流二极管的反向恢复行为。

D.SiC GTO晶闸管模型：与SiC IGBT类似，在相同的建模方法中，SiC GTO可控硅模型也允许导通损耗。为了比较SiC IGBT和SiC GTO的结果，采用了与“混合模型”相同的拐点电压模型

根据上述方程，EG是SiC的带隙能量，A是器件的面积。就像SiC IGBT一样，SiC GTO中的损耗由电压上升时间和尾电流期间的损耗组成。区域厚度（WP）被设定为（WN）区域厚度的50%。

图4 SiC GTO晶闸管导通功率损耗密度和开关功率损耗密度、GTO导通和关断开关能量损耗与最大电流增益的模拟结果。

上式显示了SiC GTO晶闸管在不同条件下的各种参数测试的仿真结果。可以看出，开关功率损耗随着阻塞电压的增加而增加。另一方面，被认为是总损失主要部分的开机损失呈明显下降趋势。

二在不同条件下测试各种参数灵敏度水平

在J=15A/cm2、T=300K、Ta=10μs和f=150Hz的相同条件下，对由SiC MOSFET、SiC IGBT和SiC GTO晶闸管制成的器件进行了测试和实验。进行该实验是为了检查超高压SiC基器件的性能，这些器件在当今的半导体行业中并不十分流行。因此，建模参数可能存在一定的不确定性，因此进行了参数灵敏度测试。

图5最大电流密度和最大开关频率

如图5所示，在T=300 K、a=10μs和f=150 Hz的给定条件下，导出了最大允许电流密度和最大开关频率。从以上模拟可以清楚地看出，可以在比SiC IGBT和SiC GTO晶闸管更高的开关频率下使用SiC MOSFET。

三结论

在这个实验中，已经提出了不同的建模方法来检验超高压SiC MOSFET、SiC IGBT和SiC GTO晶闸管的使用。进行了几次模拟，可以证明SiC MOSFET在高达15 kV的情况下具有最大的电流处理能力。SiC IGBT可以用于阻断15至35 kV范围内的电压，并且SiC GTO晶闸管更适合于35 kV以上的电压。