第三代碳化硅半導(dǎo)體器件在越來越多的應(yīng)用中提供了卓越的性能和實(shí)際優(yōu)勢(shì)。但隨著電動(dòng)汽車 （EV）、可再生能源和 5G 等領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐迅速加快，以滿足消費(fèi)者和行業(yè)需求，工程師越來越多地尋找新的解決方案，并對(duì)電源開關(guān)技術(shù)提出更多要求。

本文將著眼于當(dāng)前這一代領(lǐng)先的 SiC 器件如何改變半導(dǎo)體行業(yè)的面貌——以及哪些行業(yè)將成為未來發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。

介紹

碳化硅成分，碳和硅分別是銀河系中第四大和第八大元素。盡管如此，它很少自然地出現(xiàn)在地球上，只有在隕石和一些巖石沉積物中發(fā)現(xiàn)的微小痕跡。不過，它可以很容易地合成生產(chǎn)，并且已被用作磨料，即金剛砂，一個(gè)多世紀(jì)以來。即使在電子產(chǎn)品中，它也被用作早期收音機(jī)中的探測(cè)器，并且在 1907 年使用 SiC 晶體產(chǎn)生了第一個(gè) LED 效應(yīng)。

在電力電子領(lǐng)域，我們現(xiàn)在知道 SiC 是一種寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體，它徹底改變了功率轉(zhuǎn)換性能，在高頻下產(chǎn)生了以前無法實(shí)現(xiàn)的效率數(shù)據(jù)，并且具有更小的相關(guān)無源元件（尤其是磁性元件）的進(jìn)一步連鎖優(yōu)勢(shì)，以及隨之而來的成本、重量和尺寸的節(jié)省。

SiC FET 共源共柵引領(lǐng) WBG 組

現(xiàn)在，作為 Si-MOSFET 和 SiC JFET 的共源共柵排列的第三代 SiC FET 處于 WBG 技術(shù)的前沿。它們?cè)跉w一化導(dǎo)通電阻與管芯面積 RDSON*A 和歸一化導(dǎo)通電阻與關(guān)斷能量 RDSON* EOSS（ 低導(dǎo)通和開關(guān)損耗的關(guān)鍵指標(biāo)）方面具有最佳品質(zhì)因數(shù)。

就絕對(duì)值而言，碳化硅 FET 在 650V 器件上的導(dǎo)通電阻小于 7 毫歐，在 1200V 額定電壓下的導(dǎo)通電阻小于 10 毫歐，同時(shí)與硅定價(jià)相匹配。通過 UnitedSiC 以 SOT-227 格式展示的 2 毫歐、1200V 性能，模塊封裝中的并聯(lián)部件可以做得更好。

SiC FET 的一個(gè)主要應(yīng)用是作為 Si-MOSFET 和 IGBT 的直接替代品，這得益于簡單、兼容的柵極驅(qū)動(dòng)和流行的 TO-247 封裝?，F(xiàn)有應(yīng)用，尤其是 IGBT 的開關(guān)頻率可能較低，但新設(shè)計(jì)可以利用新推出的 DFN8x8 封裝中 SiC FET 的高頻和邊緣速率能力。這大大降低了電感，使其非常適合硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用，例如 LLC 和移相全橋轉(zhuǎn)換器。通過 SiC FET 通道的固有反向傳導(dǎo)，充當(dāng)?shù)蛽p耗快速恢復(fù)體二極管，在這方面也有幫助。

我們今天在哪里找到 SiC FET

作為 IGBT 和 Si-MOSFET 的直接替代品，SiC FET 用于升級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、UPS 逆變器、焊機(jī)、大功率 AC-DC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，可以在不改變開關(guān)頻率的情況下立即提高效率，減少通道和柵極驅(qū)動(dòng)電路中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗，這可以在 IGBT 和更大的 Si-MOSFET 中消耗大量功率。通常，柵極驅(qū)動(dòng)組件將通過簡單的更改進(jìn)行調(diào)整，以“馴服” SiC FET 的開關(guān)速度，并且可以考慮其他好處，例如減小緩沖器的尺寸，甚至刪除整流二極管，這在 IGBT 驅(qū)動(dòng)中是必需的，但可能是有效地被 SiC FET 體二極管效應(yīng)所取代。在 EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器應(yīng)用中，需要提高效率，如果頻率提高，與 IGBT 解決方案相比，EV 電機(jī)可以更高效、更平穩(wěn)地運(yùn)行。在工業(yè)和汽車驅(qū)動(dòng)中，效率的提高分別滿足了對(duì)更小尺寸和更長距離的迫切需求。

UnitedSiC 1200V SiC FET的使用示例是用于公司交流推進(jìn)的 200kW 驅(qū)動(dòng)逆變器。使用 TO-247-4L 封裝，在 7.34kHz 下具有 700V 的直流總線，實(shí)現(xiàn)了 99.98% 的峰值效率，表示損耗僅為 40W。當(dāng)荷蘭屢獲殊榮的“Solar Team Twente”采用 SiC FET 用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，效率也是主要目標(biāo)，在 2019 年的“普利司通世界太陽能挑戰(zhàn)賽”中，在一組太陽能汽車中實(shí)現(xiàn)了 1766 公里和 89.7 公里/小時(shí)的速度時(shí)間窗口。

車載和靜態(tài) EV 電池充電器也使用 SiC FET。在這里，低損耗、高頻操作允許在輸出濾波中使用更小的磁性元件，從而節(jié)省重量、尺寸和成本，再次有助于 OBC 的 EV 范圍。使用 SiC FET 的路邊快速充電器在 100kW+ 水平和 400V 或 800V 直流輸出下運(yùn)行，也看到了好處，與 IGBT 相比，效率更高。必要時(shí)并聯(lián)的分立 SiC FET 器件通常實(shí)用且成本較低，可替代昂貴的 IGBT 模塊。總的來說，可以節(jié)省成本和對(duì)環(huán)境的能源浪費(fèi)。

包括大功率 AC-DC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的所有功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的新設(shè)計(jì)都越來越多地使用 SiC FET。通過全新的設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮設(shè)備的潛力；圖騰柱功率因數(shù)校正之后是 LLC 或帶同步整流的移相全橋諧振轉(zhuǎn)換級(jí)，所有這些都使用 SiC FET 以高頻開關(guān)提供非常高的效率。隨后在冷卻硬件、用于過濾和能量存儲(chǔ)的磁體、電容器、緩沖器、外殼等方面節(jié)省了成本，所有這些都降低了系統(tǒng)總成本，同時(shí)減少了碳足跡。

SiC FET 的未來

碳化硅場效應(yīng)晶體管的性能令人印象深刻，但設(shè)計(jì)人員總是想要更多，在節(jié)省能源和成本同時(shí)增加功能的壓力下?？焖贁U(kuò)張的市場是 5G 基礎(chǔ)設(shè)施、EV/HEV、可再生能源發(fā)電和數(shù)據(jù)中心，在所有情況下，下一代 SiC FET 技術(shù)都可以在實(shí)現(xiàn)更好的性能方面發(fā)揮作用。有許多設(shè)備參數(shù)都有改進(jìn)路線圖，有些需要權(quán)衡；圖 2 顯示了未來情景中某些和潛在比例收益的行進(jìn)方向。所有這些收益在理論上都是可以實(shí)現(xiàn)的，并且可以預(yù)期隨著發(fā)展的繼續(xù)而出現(xiàn)。改進(jìn)參數(shù)并不都與減少損耗有關(guān)，盡管這很重要。堅(jiān)固性也將隨著更好的短路耐受額定值、更高的擊穿電壓和更低的封裝熱阻而得到改善，以實(shí)現(xiàn)更輕松的冷卻和更好的可靠性。封裝和 SiC FET 單元設(shè)計(jì)有改進(jìn)的余地，這將導(dǎo)致 RDSON 和芯片面積的預(yù)期減少。令人高興的是，這也降低了管芯電容，從而降低了動(dòng)態(tài)損耗。

圖 2：標(biāo)題 SiC FET 特性及其比例變化和發(fā)展方向。藍(lán)色是今天，橙色是潛在的未來場景

JFET 在 SiC 中的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大；它們作為固態(tài)斷路器和限流器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它們的常開特性實(shí)際上是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。碳化硅技術(shù)允許對(duì)高峰值結(jié)溫具有極高的耐受性，并提供低導(dǎo)通電阻、明確定義的飽和電流和快速開關(guān)。作為斷路器，SiC JFET 的開關(guān)速度比傳統(tǒng)機(jī)械類型快數(shù)千倍，而且插入損耗低。

使用 SiC JFET 的電子負(fù)載等電路中的線性操作也得到改善；與 Si-MOSFET 相比，SiC 部件不會(huì)受到單元結(jié)構(gòu)內(nèi)“電流擁擠”的影響，因?yàn)閱蝹€(gè)單元柵極閾值電壓對(duì)溫度不敏感。另一方面，Si-MOSFET 對(duì) VGTH 具有很強(qiáng)的負(fù)溫度系數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致局部熱點(diǎn)和熱失控。

包裝也會(huì)發(fā)展

隨著 SiC FET 的潛在應(yīng)用范圍擴(kuò)大，封裝選項(xiàng)也將擴(kuò)大。三引線和四引線形式的 TO-247 封裝目前可直接替代許多當(dāng)前的 IGBT 和 Si-MOSFET，但也可提供 TO220-3L 器件。在表面貼裝樣式中，D2PAK-3L 和 -7L 很受歡迎，UnitedSiC 的薄型 DFN8x8 憑借其低封裝電感適合非常高頻的操作。更多的 SMD 選項(xiàng)將可用，并且銀燒結(jié)將越來越多地用于芯片連接以提高熱性能。使用 SiC FET 芯片的模塊將在額定電壓為 6000V 或更高的版本中變得普遍，使用堆疊的“超級(jí)共源共柵”排列。這些將普遍應(yīng)用于 MV-XFC 快速充電器、牽引、可再生能源發(fā)電、固態(tài)變壓器和 HVDC。

審核編輯：郭婷