SiC相对于传统Si的优势如何

碳化硅(SiC)技术已达到临界点，即不可否认的优势推动技术快速采用的状态。

如今，出于多种原因，希望保持竞争力并降低长期系统成本的设计人员正在转向基于SiC的技术，其中包括：

降低总拥有成本：基于SiC的设计虽然需要前期投资，但可以通过能源效率、更小的系统尺寸和可靠性来降低系统成本。

克服设计挑战：SiC的特性使设计人员能够开发出运行温度更低、开关速度更快且工作电压更高的更小型器件。

提高可靠性和性能：借助更小、更冷的设备，设计人员可以自由地做出更具创新性的设计选择，更容易满足市场需求。

当今大多数电子产品都依赖于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，该晶体管于1959年由贝尔实验室发明，并在20世纪60年代初得到广泛采用。MOSFET通过改变施加在栅极端子上的电压来控制器件沟道的电导率，从而实现信号放大或开关和功率处理。

硅(Si)仍被用作构建MOSFET的主要材料，但当今的设备性能需求正在将Si技术推向材料极限。

SiC相对于传统Si的优势

自从马力意味着能源的使用及其从来源到最终应用的转换一直是发展的主题，而犁的设计对于准备播种所需的天数至关重要。

今天，我们更多地考虑从发电机输出到许多应用的最终电压的电能和功率转换，无论是用于处理器的0.6VDC、用于工业电机驱动的24VDC至500VAC还是用于为电动汽车电池充电的400VDC。转换过程总是使用功率半导体开关，几十年来，硅基类型以Si-MOSFET和IGBT的形式一直占据主导地位。

这些开关的损耗使其效率低于SiC。减少电力浪费和热量是最大限度降低运营成本和实现能源效率的首要关注点。

近年来，SiC和氮化镓(GaN)等硅替代材料已变得可行。两者都具有能够逐步提高功率转换效率的特性。这些宽带隙器件并不是硅的简单替代品。应用电路设计必须匹配才能充分发挥性能优势。（图1显示了材料之间的主要区别。）

Si、SiC和GaN–传导损耗

Si-IGBT具有几乎恒定的导通状态集电极-发射极饱和电压，该电压随着集电极电流而产生传导损耗。Si-MOSFET具有导通电阻，因此功耗为I.R(ON)2（记为：），这在高电流水平下可能会令人望而却步。

在低电压和中低功率下，具有低R(ON)的Si-MOSFET的传导损耗比IGBT更小。SiC和GaN材料的临界击穿电压比Si高得多，因此可以实现更薄的漂移层和更高的掺杂浓度。这使得给定芯片面积和额定电压的导通电阻更低，通过降低功率损耗提供更高的效率。

此外，SiC的导热率是Si的三倍以上，因此可以在相同的温升下使用更小的芯片。SiC和GaN还具有更高的最大工作温度、限制器件应力，从而比Si提高了效率。

Si、SiC和GaN–开关损耗

高转换器开关频率是一个理想的特性，因为相关组件（特别是磁性元件）可以更小，从而产生小型化优势并节省成本。然而，所有器件的开关损耗都与频率成正比。由于“尾电流”、必要的缓冲器以及高器件电容的充电/放电造成的功率损耗，IGBT很少在20kHz以上运行。Si-MOSFET可以以数百kHz的频率进行开关，但随着频率上升，能量损失、存储在输出电容(EOSS)中的能量以及流向输出电容的循环电流将成为限制因素。SiC和GaN提供更高的电子饱和速度和更低的电容，在更快的开关速度和更低的功率损耗方面提供了巨大的优势。

当导电沟道反向偏置时，“第三象限”器件的特性也很重要。例如，当通过半桥驱动感性负载时就会发生这种情况（参见图2）。IGBT不会反向导通，因此需要反并联二极管，该二极管必须是具有低电压降的快速恢复类型。Si和SiC-MOSFET具有固有的快速体二极管，但可以通过其通道反向传导，损耗低，并且在通过栅极导通时无反向恢复效应。

即使MOSFET在第三象限导通时主动导通，体二极管也会在两个开关均关闭时导通一小段时间，以防止通过半桥的直通电流。当体二极管导通时，这就是所谓的“死区时间”，由于相对较高的正向压降和二极管开关所需的反向恢复而导致额外的功率损耗。SiC和GaN的过渡时间更快，可以缩短死区时间和相关损耗。

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审核编辑：彭菁