不過，這一成功也讓MOSFET和IGBT體會到因成功反而受其害的含義。隨著產品整體性能的改善，特別是大幅降低的導通電阻和切換損耗，這些半導體切換的應用範圍越來越廣，其導致市場對矽基MOSFET和IGBT的期望越來越高，且對性能的要求亦隨之提升。
儘管主要的半導體研發機構和廠商下大力氣滿足市場要求，並進一步改進MOSFET/IGBT產品，但在某些時候，收益遞減法則占主導。幾年來，儘管大幅度付出投入，但成效收穫甚微。技術和產品最終發展到一個付出與收穫不成正比的階段，並不罕見，這是在為新的顛覆性方法和新產品問世奠定基礎。
對於MOSFET元件，這個顛覆性技術創新週期是開發和掌握新基礎材料的結果。相較純矽的MOSFET，碳化矽(SiC)的MOSFET的性能更勝一籌。本文對比測試所用產品不是研發樣品或示範原型，而是採用商用的SiC的MOSFET。
電動/混動汽車發展與MOSFET密不可分
作為一個重要的快速發展的應用領域，電動汽車和混合動力汽車(EV/HEV)的發力展受益於MOSFET技術的進步，反過來又推到了MOSFET的研發製造。這些滿載電池的汽車不只是一個大型電池組連接數個牽引馬達那樣簡單(混動汽車另有一個小型汽油發動機為電池充電)，而是需要大量電子模組來驅動系統運作、管理設備，並執行特殊功能(圖1)。
電動汽車和混合動汽車所用的功率切換轉換系統包括：
．輪轂馬達牽引逆變器(200kW/最高20kHz) 。
．交流輸入車載充電器(20kW/50kHz-200kHz) 。
．選配快速充電功能(50kW/50kHz-200kHz) 。
．協助工具電源：中控台、電池管理控制、空調、資訊娛樂系統、GPS、連網(4kW/50~200kHz量級) 。
為什麼要注重效能？續航里程顯然是消費者選購電動汽車和混合動汽車的重要考慮因素之一。逆變器的性能提升幅度即便很小，也能導致消費者能夠看到的汽車基本性能指標明顯提升。但是，要求高效能的不止於這一個因素，還有多種其他因素：
．降低工作溫度，提升可靠性。
．降低熱負荷，減少通過散熱器、散熱片、冷卻液和其他技術散發的熱能。
．減少充電時間和基本用電量。
．由於工作溫度較高的系統固定要求和限制，整體封裝需要具備更大的彈性。
．更加輕鬆地符合法規要求。
SiC應對挑戰
幸運的是，SiC提供了一條通往更高效以及提升相關性能的途徑。在結構和性能上，SiC MOSFET與主流的純矽MOSFET有何不同？簡而言之，SiC MOSFET是在SiC n+襯底上加一個SiC n摻雜外延層(又稱漂移層)，如圖2所示。關鍵參數導通電阻RDS(ON)在很大程度上取決於源極/基極和漂移層之間的溝道電阻RDrift。
當RDrift值給定，結溫是25℃時，SiC電晶體裸片實際面積是矽超接面電晶體裸片面積的幾分之一，如果使兩個管子的晶片面積相同，那麼SiC電晶體的性能要高出很多。另一個比較SiC和矽的方法是用大家熟悉的品質因數(FOM)，即RDS(ON)×晶片面積(品質因數越低越好)。在1,200V阻斷電壓下，意法半導體的SiC MOSFET的FOM值很小，約為市面上最好之高壓矽MOSFET(900V超結管)的十分之一。相較牽引逆變器常用的矽基IGBT，SiC MOSFET主要有以下優點：
．切換損耗更低，在中小功率時，導通損耗更低。
．沒有IGBT那樣的PN結電壓降。
．SiC元件具有堅固、快速的本質二極體，無需外部二極體；該本質二極體的恢復電荷極小，幾乎可以忽略不計。
．工作溫度更高(200℃)，進而降低了冷卻要求和散熱要求，同時提升了可靠性。
．在效能相同的條件下，切換頻率是IGBT的4倍，由於被動元件和外部元件少，重量、大小和成本更低。
MOSFET須搭配適宜驅動器
經驗豐富的工程師知道，功率元件只是整個系統的眾多重要元件之一。要想使設計變得可靠、高效，並具成本效益，還需讓MOSFET選擇適合的驅動器。適合的驅動器是根據目標MOSFET及其負載特有的電流變化率、電壓值和時序限制而專門設計的驅動器。由於矽基MOSFET技術已經成熟，市面上有很多品牌的標準驅動器，確保驅動器/MOSFET組合能正常運作。
因此，人們不只關心SiC MOSFET驅動的難易程度，更關心驅動器在市面上是否販售，這是很正常的事情。令人興奮的是，驅動SiC MOSFET幾乎與驅動矽基MOSFET一樣容易，驅動一個80mΩ元件，只需要20V閘-源電壓、最大約2A的驅動電流。因此，在許多情況下都可以使用簡單標準的閘極驅動器。意法半導體和其他廠商開發出了針對SiC MOSFET優化的閘極驅動器，例如ST TD350。
在這款先進的閘極驅動器內，創新的主動米勒鉗位功能大多數應用中節省了負電壓閘極驅動，並讓使用簡單的自舉電源驅動高邊驅動器；電平和延遲可調節的兩級關斷功能可以預防關斷操作產生大量的過電壓，以防萬一發生過流或短路情況，兩級關斷功能中設定的延遲還可用於控制切換的開通操作，防止脈衝寬度失真。
SiC MOSFET已邁入量產階段
製程的進步有時並不能保證新技術一定會產業化和大規模應用，而SiC MOSFET卻是一個例外。目前，SiC MOSFET已經量產，並被混動汽車和電動汽車採用，在效能、性能和工作條件方面取得切實的成效，並傳導到電路級和系統級。
我們用混動汽車和電動汽車的80kW牽引馬達逆變器電源模組做了一個SiC MOSFET與矽IGBT的對比測試，結果顯示，在許多關鍵參數方面，650V SiC MOSFET遠勝矽IGBT。這個三相逆變器模組採用雙極性PWM控制拓撲，具有同步整流模式。兩種元件都是按照結溫小於絕對最大額定結溫80%確定元件尺寸。矽IGBT方案使用4個並聯的650V/200A IGBT和額定值相同的相關續流矽二極體；基於SiC MOSFET的方案設計採用7個並聯的650V/100A SiC MOSFET，未使用任何外部二極體(只用本質二極體)；額定峰值功率480Arms(10秒)，正常負載230Arms(表1)。其他工作條件是：
．直流電路電壓：400Vdc
．切換頻率：16kHz
．SiC Vgs電壓 +20V/-5V，IGBT Vge電壓±15V
．冷卻液溫度：85℃
．RthJ-C(IGBT-die)=0.4℃/W;RthJ-C(SiC-die)=1.25℃/W
．在任何條件下，Tj≤80%×Tjmax℃
注意到，相較SiC MOSFET與矽基IGBT，幾乎所有功率損耗參數都有明顯改善。當並聯MOSFET時，所產生的RDS(ON)導通電阻除以MOSFET的個數，致使導通損耗接近零，因此，SiC MOSFET的導通損耗低於IGBT。反之，當並聯IGBT時，所產生的VCE(SAT)電壓不會線性下降，且最小導通電壓降是限制在大約0.8至1V範圍內。
不難看出，在整個負載範圍內，SiC MOSFET解決方案的功率損耗低很多。由於導通電壓降較低，這些MOSFET在100%負載時的導通損耗也從125W降低到55W，如圖3(a)和3(b)所示。
在低負載時，SiC元件的效能比矽IGBT高達3%；在整個負載範圍內，總效能高至少1%。儘管1%看起來似乎不多，但對於這個功率等級，1%代表了很高的功耗、耗散功率和散熱量。工程師知道，高溫是持久性能和可靠性的大敵。此外，高效能還能延長電動汽車續航里程，這是汽車製造商和消費者比較看重的價值主張。在16kHz切換頻率下，比較SiC與IGBT的結溫，從低負載到滿負載，顯然SiC是贏家，兩者的冷卻液溫度均為85℃，如圖4所示。資料顯示，因為損耗高，IGBT冷卻系統的效率必須更高。
SiC元件結溫幾乎在整個切換頻率範圍內都處於較低的水準，如圖5所示，甚至切換頻率低至8kHz時，溫度也比IGBT低，矽基IGBT在46kHz時已超出額定結溫範圍。
在峰值功率脈衝條件下，SiC MOSFET導通損耗高於IGBT，為使結溫保持在最高結溫以下(通常為200℃的Tjmax的80%)，我們限定SiC MOSFET的尺寸，這時SiC MOSFET具有以下優勢：
．晶片面積小，適合更功率密集的方案。
．中低負載功率損耗低很多。
．電池續航時間更長，延長汽車續航里程。
．滿載時損耗更低，適用於更小的冷卻方案。
．在整個負載範圍內，結溫Tj和冷卻液溫度Tfluid的溫差小，可提高可靠性。
這些特性和優點為使用者帶來了切實的好處，例如，效能提升至少1%(損耗降低75%)；逆變器側冷卻系統更小、更輕(減少約80%)；電源模組更小、更輕(減少50%)。
SiC MOSFET成本將逐漸下降
當討論技術進步及其帶來的好處時，不考慮成本因素的討論都是片面的。目前，SiC MOSFET的成本是矽IGBT的4倍至5倍。不過，SiC MOSFET節省了物料清單、冷卻系統和能耗，進一步降低了系統總成本，通常可以抵消掉這些基礎元件的成本差距。在未來2到5年，隨著行業轉向大直徑晶圓，SiC MOSFET供應商(如意法半導體)已經開始轉型，這一價差應該會降至3倍，甚至2.5倍。品質因數RDSON×面積亦將獲得改善，產量也將會提升。長遠來看，未來5到10年，隨著這些參數改進，成本將會繼續降低。
SiC功率切換帶來了改進性能的希望，同時也將這些希望變成了現實，在應用和組裝中幾乎不存在設計折衷問題。隨著汽車廠商加緊研發混動汽車、電動汽車和許多相關電源模組，以及其他以大功率馬達為中心的應用，SiC功率切換可以在成功設計中發揮重要作用，即使改進步伐很小，也會為系統級帶來巨大的進步。
