本文展望了SiC下一步需要做什么，將在哪里應(yīng)用以及如何成為功率半導(dǎo)體的主導(dǎo)力量。

1893年，費(fèi)迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）于亞利桑那州的隕石殘留物中發(fā)現(xiàn)了這種材料，此后，碳化硅晶體就可以說(shuō)是“Moissanite”之美。

如今，碳化硅可以形成寶石、鉆石，甚至更耐熱。碳化硅晶體也在工業(yè)上成為了碳化硅（SiC）晶片的基礎(chǔ)，碳化硅（SiC）晶片是一種非常成功的新型半導(dǎo)體產(chǎn)品，已經(jīng)發(fā)展到可以與硅競(jìng)爭(zhēng)的水平。

碳化硅現(xiàn)已進(jìn)入第三代產(chǎn)品，其性能隨著越來(lái)越多的應(yīng)用而增加。同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車，可再生能源和5G等行業(yè)創(chuàng)新步伐的加速，電力工程師越來(lái)越多地尋求新的SiC解決方案，以在效率，成本節(jié)省和功能方面取得優(yōu)勢(shì)，滿足消費(fèi)者和行業(yè)的需求。

一、第三代SiC技術(shù)

讓我們回顧一下SiC技術(shù)的現(xiàn)狀以及與傳統(tǒng)硅解決方案的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。下圖顯示了與硅相比的基本材料特性-靠近邊緣的值更好。

Si和SiC材料特性的比較

SiC的優(yōu)點(diǎn)包括：帶隙更寬，導(dǎo)致臨界擊穿電壓更高，電子速度更高，開關(guān)速度更快。對(duì)于給定的額定電壓，管芯尺寸可以小得多，從而具有低導(dǎo)通電阻，再加上顯著更好的導(dǎo)熱性，從而可以降低損耗并降低運(yùn)行溫度。較小的裸片尺寸還減少了器件電容，從而降低了開關(guān)損耗，而SiC固有的高溫性能反而降低了熱應(yīng)力。

當(dāng)實(shí)現(xiàn)為SiC FET時(shí)，采用United SiC將SiC JFET與Si-MOSFET共封裝的共源共柵布置，常關(guān)器件可實(shí)現(xiàn)快速，低損耗的體二極管，高雪崩能量額定值和自限性短路條件下的電流。

SiC FET具有簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)器，可與較早的Si-MOSFET甚至IGBT兼容，因此，通過(guò)提供兼容的封裝，可以輕松地從較早的器件類型進(jìn)行升級(jí)。

對(duì)于高開關(guān)頻率應(yīng)用，現(xiàn)在還提供扁平的DFN8x8封裝，該封裝可最大程度地減小引線電感，因此非常適合諸如LLC和相移全橋轉(zhuǎn)換器之類的硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用。

使用該技術(shù)，United SiC UF3C系列器件突破了障礙，這是首款采用凱爾文4引腳TO-247封裝，在1200V類器件中RDS（ON）低于10毫歐的SiCFET。

United SiC中使用的SiC晶圓已發(fā)展到六英寸的尺寸，其規(guī)模經(jīng)濟(jì)性使其可與硅的價(jià)格水平保持一致，并用于大眾市場(chǎng)應(yīng)用以及尖端的創(chuàng)新產(chǎn)品。

二、進(jìn)一步改善SiC FET的驅(qū)動(dòng)力

SiC FET正在接近理想的開關(guān)，但是市場(chǎng)仍然要求更多。

EV逆變器需要盡可能高的效率以增加行駛距離；高功率DC-DC以及數(shù)據(jù)中心/5G應(yīng)用中的AC-DC轉(zhuǎn)換器必須消耗盡可能少的功率，以最大程度地減少能量損失，占地面積和成本；工業(yè)界希望使用更小，更高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以更好地利用工廠空間。

同時(shí)，SiC的其他新應(yīng)用也已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，可以利用SiC的一些優(yōu)勢(shì)。例如，固態(tài)斷路器現(xiàn)在在高電流水平下的損耗非常低，甚至線性電源電路（如電子負(fù)載）也比SiC更好。具有擴(kuò)展的安全操作區(qū)域（SOA）的設(shè)備。

隨著系統(tǒng)工程師認(rèn)識(shí)到在減小尺寸和冷卻要求，同時(shí)節(jié)省能源和硬件成本的機(jī)會(huì)的同時(shí)，他們希望擁有更多相同的器件，以及具有更廣泛應(yīng)用的設(shè)備，例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項(xiàng)。

三、比較SiC設(shè)備特性及未來(lái)發(fā)展方向

在比較當(dāng)前SiC 設(shè)備及其發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，各個(gè)參數(shù)并不一定具有啟發(fā)性，比如低于10毫歐的設(shè)備在100V的額定電壓下并不算優(yōu)越，但在1200V的電壓下卻是最先進(jìn)的。

同樣，如果管芯面積較大，則會(huì)導(dǎo)致高電容和隨之而來(lái)的開關(guān)損耗，因此在1200V時(shí)低RDS（ON）不太有用。

因此，使用商定的“品質(zhì)因數(shù)”（FOM）是有用的，低值結(jié)合了低電阻和開關(guān)損耗以及每個(gè)晶片的裸片數(shù)量的措施，從而降低了成本。

EOSS，為設(shè)備輸出電容充電所需的能量對(duì)于降低開關(guān)損耗非常重要，而對(duì)于總損耗而言，有用的直接FOM也是RDS（ON）。

碳化硅改良參數(shù)：

顯然，對(duì)于關(guān)鍵的FOM，SiC相對(duì)于其他開關(guān)類型而言是一個(gè)巨大的進(jìn)步，但更高性能的范圍又是什么呢？

還需要考慮其他可能與FOM改進(jìn)相抵觸的參數(shù)。下圖顯示了一些，箭頭指示了運(yùn)動(dòng)方向，以獲得更好的性能。BV是臨界擊穿電壓，COSS是輸出電容，Qrr是反向恢復(fù)電荷，ESW是開關(guān)時(shí)的能量損失，Diode Surge是體二極管效應(yīng)峰值電流額定值，SCWT是短路耐受額定值，UIS是未鉗位的電感性開關(guān)額定值和RthJ-C是外殼熱阻的結(jié)點(diǎn)。

SiC FET特性及其發(fā)展方向：現(xiàn)在是藍(lán)色，將來(lái)是橙色

一些特性會(huì)相互增強(qiáng)好處，例如較小的模具尺寸可降低COSS，從而降低ESW；其他則需要權(quán)衡取舍，例如，減少芯片體積可能會(huì)導(dǎo)致UIS能源評(píng)級(jí)降低。峰值雪崩電流不會(huì)受到影響，這是與低能量雜散電感相關(guān)的過(guò)沖或雷電測(cè)試的典型結(jié)果。

但是，在電池和封裝設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)的有用組合還有很多余地，可以看到RSD（ON）。減半后的骰子明顯變小。然后，COSS也將以相同的比例下降，而ESW相應(yīng)下降。通過(guò)對(duì)RDS（ON）進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，可以使芯片更薄，但United SiC相信這不會(huì)以額定電壓為代價(jià)，而額定電壓將隨著新的750V標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)而升高至1700V。

挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，例如原材料需要達(dá)到零缺陷和完美的平坦度的要求，但是在每片晶片的裸片數(shù)量以及“交叉”方面，成品率一直在不斷提高。SiC在其發(fā)展曲線的開始階段仍然是一個(gè)相對(duì)較年輕的技術(shù)，并且像以前的MOSFET一樣，在成本和性能方面都有很大的未來(lái)改進(jìn)前景。

四、SiC封裝的演變

隨著SiCFET器件的改進(jìn)和擴(kuò)展到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可以預(yù)料封裝選項(xiàng)也將擴(kuò)大。

目前，TO-247零件很受歡迎，因?yàn)樗鼈兛梢宰鳛槟承㎝OSFET和IGBT的直接替代品，并且許多類型是四引線的，包括用于柵極驅(qū)動(dòng)的開爾文連接。這有助于克服源極引線電感的影響，否則會(huì)導(dǎo)致漏極-源極di/dt較高而導(dǎo)通。D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L，TO247以及最近從United SiC推出的表面貼裝薄型DFN8x8封裝均經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以最小的封裝電感實(shí)現(xiàn)了高頻工作。

將來(lái)，將提供其他SMD封裝，其中大多數(shù)采用銀燒結(jié)模壓連接，以實(shí)現(xiàn)更好的熱性能。模塊中的多個(gè)SiC裸片也將變得更加廣泛，單個(gè)裸片的額定電壓可能高達(dá)1200V，而使用堆疊式“超級(jí)級(jí)聯(lián)”排列以實(shí)現(xiàn)非常高的功率時(shí)，額定功率可能高達(dá)6000V或更高。這些將通常用于固態(tài)變壓器，MV-XFC快速充電器，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，牽引力和HVDC。

五、展望未來(lái)

電力應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新是迅速的，無(wú)需費(fèi)吹灰之力就能看到半導(dǎo)體開關(guān)需要發(fā)展以符合市場(chǎng)期望。然而，采用新的性能基準(zhǔn)，SiC可以遵循一條明確的道路來(lái)滿足需求。United SiC當(dāng)前正在開發(fā)新設(shè)備，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。