SiC器件如何改变半导体行业的面貌

第三代碳化硅半导体器件在越来越多的应用中提供了卓越的性能和实际优势。但随着电动汽车 （EV）、可再生能源和 5G 等领域的创新步伐迅速加快，以满足消费者和行业需求，工程师越来越多地寻找新的解决方案，并对电源开关技术提出更多要求。

本文将着眼于当前这一代领先的 SiC 器件如何改变半导体行业的面貌——以及哪些行业将成为未来发展的驱动力。

介绍

碳化硅成分，碳和硅分别是银河系中第四大和第八大元素。尽管如此，它很少自然地出现在地球上，只有在陨石和一些岩石沉积物中发现的微小痕迹。不过，它可以很容易地合成生产，并且已被用作磨料，即金刚砂，一个多世纪以来。即使在电子产品中，它也被用作早期收音机中的探测器，并且在 1907 年使用 SiC 晶体产生了第一个 LED 效应。

在电力电子领域，我们现在知道 SiC 是一种宽带隙 （WBG） 半导体，它彻底改变了功率转换性能，在高频下产生了以前无法实现的效率数据，并且具有更小的相关无源元件（尤其是磁性元件）的进一步连锁优势，以及随之而来的成本、重量和尺寸的节省。

SiC FET 共源共栅引领 WBG 组

现在，作为 Si-MOSFET 和 SiC JFET 的共源共栅排列的第三代 SiC FET 处于 WBG 技术的前沿。它们在归一化导通电阻与管芯面积 RDSON*A 和归一化导通电阻与关断能量 RDSON* EOSS（ 低导通和开关损耗的关键指标）方面具有最佳品质因数。

就绝对值而言，碳化硅 FET 在 650V 器件上的导通电阻小于 7 毫欧，在 1200V 额定电压下的导通电阻小于 10 毫欧，同时与硅定价相匹配。通过 UnitedSiC 以 SOT-227 格式展示的 2 毫欧、1200V 性能，模块封装中的并联部件可以做得更好。

SiC FET 的一个主要应用是作为 Si-MOSFET 和 IGBT 的直接替代品，这得益于简单、兼容的栅极驱动和流行的 TO-247 封装。现有应用，尤其是 IGBT 的开关频率可能较低，但新设计可以利用新推出的 DFN8x8 封装中 SiC FET 的高频和边缘速率能力。这大大降低了电感，使其非常适合硬开关和软开关应用，例如 LLC 和移相全桥转换器。通过 SiC FET 通道的固有反向传导，充当低损耗快速恢复体二极管，在这方面也有帮助。

我们今天在哪里找到 SiC FET

作为 IGBT 和 Si-MOSFET 的直接替代品，SiC FET 用于升级电机驱动器、UPS 逆变器、焊机、大功率 AC-DC 和 DC-DC 转换器等。在电机驱动应用中，可以在不改变开关频率的情况下立即提高效率，减少通道和栅极驱动电路中的静态和动态损耗，这可以在 IGBT 和更大的 Si-MOSFET 中消耗大量功率。通常，栅极驱动组件将通过简单的更改进行调整，以“驯服” SiC FET 的开关速度，并且可以考虑其他好处，例如减小缓冲器的尺寸，甚至删除整流二极管，这在 IGBT 驱动中是必需的，但可能是有效地被 SiC FET 体二极管效应所取代。在 EV 电机驱动逆变器应用中，需要提高效率，如果频率提高，与 IGBT 解决方案相比，EV 电机可以更高效、更平稳地运行。在工业和汽车驱动中，效率的提高分别满足了对更小尺寸和更长距离的迫切需求。

UnitedSiC 1200V SiC FET的使用示例是用于公司交流推进的 200kW 驱动逆变器。使用 TO-247-4L 封装，在 7.34kHz 下具有 700V 的直流总线，实现了 99.98% 的峰值效率，表示损耗仅为 40W。当荷兰屡获殊荣的“Solar Team Twente”采用 SiC FET 用于电机驱动时，效率也是主要目标，在 2019 年的“普利司通世界太阳能挑战赛”中，在一组太阳能汽车中实现了 1766 公里和 89.7 公里/小时的速度时间窗口。

车载和静态 EV 电池充电器也使用 SiC FET。在这里，低损耗、高频操作允许在输出滤波中使用更小的磁性元件，从而节省重量、尺寸和成本，再次有助于 OBC 的 EV 范围。使用 SiC FET 的路边快速充电器在 100kW+ 水平和 400V 或 800V 直流输出下运行，也看到了好处，与 IGBT 相比，效率更高。必要时并联的分立 SiC FET 器件通常实用且成本较低，可替代昂贵的 IGBT 模块。总的来说，可以节省成本和对环境的能源浪费。

包括大功率 AC-DC 和 DC-DC 转换器在内的所有功率转换领域的新设计都越来越多地使用 SiC FET。通过全新的设计，可以充分发挥设备的潜力；图腾柱功率因数校正之后是 LLC 或带同步整流的移相全桥谐振转换级，所有这些都使用 SiC FET 以高频开关提供非常高的效率。随后在冷却硬件、用于过滤和能量存储的磁体、电容器、缓冲器、外壳等方面节省了成本，所有这些都降低了系统总成本，同时减少了碳足迹。

SiC FET 的未来

碳化硅场效应晶体管的性能令人印象深刻，但设计人员总是想要更多，在节省能源和成本同时增加功能的压力下。快速扩张的市场是 5G 基础设施、EV/HEV、可再生能源发电和数据中心，在所有情况下，下一代 SiC FET 技术都可以在实现更好的性能方面发挥作用。有许多设备参数都有改进路线图，有些需要权衡；图 2 显示了未来情景中某些和潜在比例收益的行进方向。所有这些收益在理论上都是可以实现的，并且可以预期随着发展的继续而出现。改进参数并不都与减少损耗有关，尽管这很重要。坚固性也将随着更好的短路耐受额定值、更高的击穿电压和更低的封装热阻而得到改善，以实现更轻松的冷却和更好的可靠性。封装和 SiC FET 单元设计有改进的余地，这将导致 RDSON 和芯片面积的预期减少。令人高兴的是，这也降低了管芯电容，从而降低了动态损耗。

图 2：标题 SiC FET 特性及其比例变化和发展方向。蓝色是今天，橙色是潜在的未来场景

JFET 在 SiC 中的应用也在不断扩大；它们作为固态断路器和限流器具有明显的优势，它们的常开特性实际上是一个优势。碳化硅技术允许对高峰值结温具有极高的耐受性，并提供低导通电阻、明确定义的饱和电流和快速开关。作为断路器，SiC JFET 的开关速度比传统机械类型快数千倍，而且插入损耗低。

使用 SiC JFET 的电子负载等电路中的线性操作也得到改善；与 Si-MOSFET 相比，SiC 部件不会受到单元结构内“电流拥挤”的影响，因为单个单元栅极阈值电压对温度不敏感。另一方面，Si-MOSFET 对 VGTH 具有很强的负温度系数，这会导致局部热点和热失控。

包装也会发展

随着 SiC FET 的潜在应用范围扩大，封装选项也将扩大。三引线和四引线形式的 TO-247 封装目前可直接替代许多当前的 IGBT 和 Si-MOSFET，但也可提供 TO220-3L 器件。在表面贴装样式中，D2PAK-3L 和 -7L 很受欢迎，UnitedSiC 的薄型 DFN8x8 凭借其低封装电感适合非常高频的操作。更多的 SMD 选项将可用，并且银烧结将越来越多地用于芯片连接以提高热性能。使用 SiC FET 芯片的模块将在额定电压为 6000V 或更高的版本中变得普遍，使用堆叠的“超级共源共栅”排列。这些将普遍应用于 MV-XFC 快速充电器、牵引、可再生能源发电、固态变压器和 HVDC。

审核编辑：郭婷