寬禁帶功率半導體開關器件的研發，絕不是僅僅換了一種材料這么簡單的事情！也絕非彎道超車就容易成為領跑者。英飛凌在九十年代就開始研究過碳化硅功率器件，研發過平面柵SiC MOSFET。由于當時碳化硅材料缺陷水平限制，后轉向于研制常開型SiC JFET器件，也推出過常閉型低壓硅MOSFET+常開型SiC JFET構成的級聯器件，因為達不到英飛凌對于功率開關器件高質量的要求，沒有正式推向市場?，F在，英飛凌推出非對稱溝槽柵高Vgsth的SiC MOSFET開關器件，又成為了技術領跑者。
圖1. 碳化硅與硅材料的主要性能參數對比
英飛凌深耕溝槽柵MOS功率器件好幾十年，從最早的溝槽柵IGBT，到屏蔽溝槽柵結構的低壓OptiMOS，以及體二極管經過特殊處理加固的CFD類型的CoolMOS（也有類似的溝槽結構），再到現在的溝槽柵Cool SiC MOEFET，可以說積累了極為豐富的器件和客戶應用反饋的長期經驗，經過嚴格驗證的“閉環”經驗，這些經驗絕不是可以一蹴而就、拿過來即可速成的。經過這幾年的實踐摸索和對比驗證，英飛凌的CoolSiC MOSFET又像當年的NPT-IGBT、CoolMOS、FS-Trench IGBT那樣，再一次領跑功率開關器件。
與硅材料比較，從圖1數據，可以看出來，SiC材料的禁帶寬度和臨界擊穿電場強度雖然較高，但是其空穴遷移率很低（也是SiC MOSFET的體二極管壓降比較大的原因之一），電子遷移率也不高，這絕不是優點。在平面柵的SiO2-SiC界面的界面態等雜志缺陷的存在，使得感應的導電溝道中的電子等效遷移率可能更低。但是，因為硅MOS器件就是從平面柵開始的，絕大多數廠家先以平面柵MOSFET結構研發SiC MOSFET。這一條路，看似起步容易，卻是越走越難！因為不論什么材料的功率MOS器件，必須要符合一些基本條件：常閉器件；其閾值電壓Vgsth必須要大于4V（常溫狀態），而且Vgsth隨著高溫下降幅度不能夠太大（最好超過3V，不能夠低于2V）。一般IGBT和所有的MOSFET的Vgsth都要隨著溫度增加到結溫150C而下降1V左右。而IGBT開關較慢，還可以加負電壓，從-5V直至-15V，以應對Vgs上的噪聲電壓；大功率硅基MOSFET也可以加一定的負壓抵抗噪聲；SiC MOSFET對于負的Vgs電壓比較敏感：器件本身推薦零電壓關斷，但是客戶還是希望加一定的負壓抵抗噪聲，比如-5V（至少-3V）。當開關頻率超過200KHz時，Vgs，off=-3V（max），再大值的負壓，會影響器件長期壽命。這是溝槽柵器件所帶來的較高頻率下開關工作的一個額外限制。在實際應用時，不難應對處理：fsw=200KHz（或者更高頻率），Vgs，off=-2V，并且推薦使用Active miller clamp有源米勒鉗位和軟開關技術（英飛凌的很多Eice Driver電路就帶有此有源米勒鉗位功能），應用也比較方便。
圖2· 英飛凌的Cool SiC MOSFET的需要平衡考慮的主要設計參數
溝槽柵位于碳化硅外延材料器件元胞的溝槽內部，優化的晶向晶界可使有效電子遷移率保持最高狀態，這一點非常具有技術前瞻性。這么做起初很難，也顯得“舍近求遠”“費力不討好”，但是卻更加容易將如圖3白色所示的柵氧化層厚度做到較大值，而同時保持Vgsth達到最大值，驅動Vgs，on可以是15V（第一代M1），也可以是18V（第二代M1H），推薦0V關斷，即Vgs ，off=0V。對于大多數客戶，這一點可能比較困難實現，需要高超的PCB等技術。但是，客戶完全可以采用負電壓關斷，一般20Khz的開關頻率以下，采用-4V關斷，或者-3V（在200Khz以下頻率），都是安全可靠的，不會影響器件長期柵安全工作區壽命。除了關斷負電壓，稍微比起IGBT小一點（較高頻時，有一點點受限）以外，溝槽柵Cool SiC MOSFET基本上與IGBT和普通功率MOSFET兼容了。（英飛凌IGBT的Vgsth=5.8V，Cool SiC MOSFET的Vgsth=4.5V，Cool MOS CFD7的Vgsth=4V）。我們許多人從事多年的電力電子硬件電路，最后才發現：電力電子器件的Vgsth越大越好??！在MOSFET的嚴酷的“共源噪聲”環境下，施加-4V之類的負柵壓Vgs,off，對于噪聲電壓來說是“杯水車薪”，只是稍微緩解一下問題，不能夠本質上解決問題。此時，提高Vgsth閾值電壓值，才是唯一正確的解決問題的器件之路?？蛻糇约捍铍娐方鉀Q此問題，不是不行，而是難度極大，得不償失。英飛凌的設計者有好幾十年的功率MOS器件設計功力底蘊，他們在SiC MOSFET的研發設計中，一直站在制高點上所帶來的巨大好處是：很快拉開與眾多平面柵競爭者的差距?，F在，許多知名廠家已經開始認識到英飛凌SiC MOSFET的巨大技術領先性，也在追趕跟隨研發溝槽柵SiC MOSFET。碳化硅溝槽柵門檻很高，歧路眾多（如圖2所示），研發者寥寥，需要投入巨大的成本、相關經驗等支撐才行。
Cool SiC MOSFET的短路時間為2-3us，足夠快速過流保護響應時間了。其體二極管的續流可靠性大幅度提升，這是由于如圖3中P+深井，將FWD部分與溝道部分立體分隔開來的緣故。
圖3· 英飛凌溝槽柵Cool SiC MOSFET的結構剖面示意圖（右圖：溝槽柵；左圖：平面柵對比）
目前，SiC MOSFET主要有3大類應用領域（如圖5所示）：開關頻率100KHz以上的旨在減小體積增加效率的軟開關電源類應用（PV inverter，OBC，DC/DC，快充樁等）；10-20KHz電機類電動汽車逆變器的分立器件多并聯系統應用（旨在提升效率5%～10%，增加電動汽車最看重的續航里程10%以上，避開16Khz以下的音頻嘯叫噪聲），其他還有UPS等應用（包括單端1700V器件的開關電源應用，這一趨勢最近比較流行火熱）。
圖4·英飛凌Cool SiC MOSFET與其另外2個Cool 器件品牌器件的綜合性能對比
圖5· 英飛凌Cool SiC MOSFET的功率-頻率應用范圍圖
SiC MOSFET是單極性器件，只有電子工作，沒有空穴輔助工作（SiC里的空穴遷移率也不高，不用也罷）。經過匠心獨運的精心設計，我們可以得到一種完美的開關器件，把MOS控制開關的微妙與碳化硅材料的威力有機結合起來，將高效性能發揮到極致。器件上，英飛凌做到了，驅動上，英飛凌提供配套的最佳驅動隔離電路Eice Driver系列（磁隔離原創設計，包括所有各種保護輔助功能）。因為英飛凌的Cool SiC MOSFET開關速度較快，功率容量也不小，客戶應用好SiC MOSFET也還是需要一定的PCB等噪聲應對處理水平的。SiC MOSFET有一點點小脾氣（主要是因為開關太快的緣故），需要軟開關技術來“化解”，或者用“高級并聯驅動技術”來應對處理。
在實驗室里用雙脈沖測試臺可以初步評估測試CoolSiC MOSFET的開關性能的某些“局部”“相對靜態”情況。簡單地說：保持Vgs波形的安全完整性，不要疊加產生各種各樣的尖刺噪聲干擾，就是用好Cool SiC MOSFET的基本原則。此話聽起來似乎很容易，用起來卻發現“太難了！”。各種各樣的“似乎以此無關的事情”紛至沓來，不請自來，莫名其妙，匪夷所思。SiC MOSFET的世界真的是與眾不同。我們經常能夠感受SiC MOSFET的“桀驁不馴，野性難馴”。想當年，IGBT也不太好用，但是還是屬于比較“溫良恭儉讓”的類型。這就是有沒有“空穴”的巨大差別。
與IGBT比較，SiC MOSFET沒有那么好用，因為IGBT的經驗不可直接套用，也沒有那么便宜。性價比不如Cool MOS（但是Cool MOS沒有1200V以上器件），如圖4所示。
碳化硅MOSFET的性能優越，毋庸置疑。由于其芯片做的比較小，熱阻一般稍大，所以經常是需要多個分立器件高頻并聯（模塊雖然也有提供，但頻率性能受限）。這一點技術門檻比較高，需要處理好“高頻均流”～“高頻振蕩噪聲”～“精簡緊湊型驅動方案”等諸多技術難題。
在Cool SiC MOSFET驅動應用中，由于柵電場強度和頻率限制，關斷電壓Vgs,off只能夠選用比較小的負值電壓，比如-3V，-4V，還需要配合比較優秀的驅動電路（比如EiceDriver）和高頻布線。為了讀者能夠對于SiC MOSFET的主要廠家產品有一個綜合性能對比，列出對比，如表1所示。結論：
英飛凌的Cool SiC MOSFET最大的競爭優勢，就是Vgsth達到最高的4.5V。此值越高，本征抗噪聲性能越好，應用越可靠。無論在硬開關還是軟開關應用，這是決定性的。
采用英飛凌特殊結構的溝槽柵的Cool SiC MOSFET才能夠將Vgsth做到4.5V值而同時保持Vgs,on還比較低（15～18V），平面柵SiC MOSFET的性能受限制較多，比較難以取得這方面的進展。
在高頻高功率電力電子電路系統中，器件原廠關鍵參數（比如Vgsth）的提升是“上游的改良進步”，要比“下游的電路方面的改良進步”更加顯得高效和簡潔。
Cool SiC MOSFET是一種比較理想的電力電子開關器件，需要從“應力、噪聲、系統成本”的三重復合角度深刻理解它，才會把握并用好Cool SiC MOSFET。
英飛凌的Cool SiC MOSFET還在以下各方面表現精彩：自帶快軟高可靠寄生續流二極管，（英飛凌首發的）175C矩形RBSOA，軟開關應用基本無需RC Snubber，與高溫無關的關斷損耗，完全可控的dv/dt，沒有0.7V導通電壓門檻值，等等。（Ver1.4b—-華偉）