有關電力應用中碳化硅的知識

碳化硅 (SiC) 是一種由硅 (Si) 和碳 (C) 組成的半導體化合物，屬于寬帶隙 (WBG) 材料家族。它的物理鍵非常強，使半導體具有很高的機械、化學和熱穩定性。寬帶隙和高熱穩定性使 SiC器件能夠在高于硅的結溫下使用，甚至超過 200°C。碳化硅在功率應用中的主要優勢在于其低漂移區電阻，這是高壓功率器件的關鍵因素。[這里是“關于 GaN 的 10 件事”]

由于結合了優異的物理和電子特性，基于 SiC 的功率器件正在推動電力電子技術的徹底變革。盡管這種材料早已為人所知，但它作為半導體的使用是相對較新的，這在很大程度上要歸功于大型和高質量晶片的可用性。近幾十年來，人們一直致力于開發特定且獨特的高溫晶體生長工藝。盡管 SiC 具有不同的多晶型晶體結構（也稱為多型），但 4H-SiC 多型六方晶體結構最適合高功率應用。

碳化硅的主要特性是什么？

硅與碳的結合使這種材料具有出色的機械、化學和熱性能，包括：

高導熱性

低熱膨脹和優異的抗熱震性

低功率和開關損耗

高能效

高工作頻率和溫度（工作溫度高達 200°C 結）

小芯片尺寸（具有相同的擊穿電壓）

本征體二極管（MOSFET器件）

出色的熱管理，可降低冷卻要求

使用壽命長

碳化硅在電子領域有哪些應用？

碳化硅是一種非常適合電力應用的半導體，這首先要歸功于它能夠承受高電壓，比硅高出十倍?；谔蓟璧陌雽w具有更高的熱導率、更高的電子遷移率和更低的功率損耗。碳化硅二極管和晶體管也可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會影響可靠性。SiC器件的主要應用，如肖特基二極管和FET/MOSFET晶體管，包括轉換器、逆變器、電源、電池充電器和電機控制系統。

為什么 SiC 在功率應用中勝過 Si？

盡管是電子產品中使用最廣泛的半導體，但硅開始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應用中。這些應用中的一個相關因素是半導體提供的帶隙或能隙。當帶隙高時，它使用的電子設備可以更小、運行更快、更可靠。它還可以在比其他半導體更高的溫度、電壓和頻率下工作。雖然硅的帶隙約為 1.12eV，但碳化硅的帶隙值約為 3.26eV 的近三倍。

為什么 SiC 可以承受如此高的電壓？

功率器件，尤其是 MOSFET，必須能夠處理極高的電壓。由于電場的介電擊穿強度大約是硅的十倍，SiC 可以達到非常高的擊穿電壓，從 600V 到幾千伏。SiC 可以使用比硅更高的摻雜濃度，并且漂移層可以做得很薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，給定高電壓，單位面積漂移層的電阻可以降低到硅的1/300。

為什么 SiC 在高頻下的性能優于 IGBT？

在大功率應用中，過去主要使用 IGBT 和雙極晶體管，目的是降低在高擊穿電壓下出現的導通電阻。然而，這些器件會提供顯著的開關損耗，從而導致發熱問題限制了它們在高頻下的使用。使用 SiC，可以制造實現高電壓、低導通電阻和快速運行的器件，例如肖特基勢壘二極管和 MOSFET。

哪些雜質用于摻雜 SiC 材料？

在其純凈形式中，碳化硅的行為類似于電絕緣體。通過控制添加雜質或摻雜劑，SiC 可以表現得像半導體。P型半導體可以通過摻雜鋁、硼或鎵來獲得，而氮和磷的雜質會產生N型半導體。根據紅外輻射、可見光和紫外線的電壓或強度等因素，碳化硅具有在某些條件下導電但在其他條件下不導電的能力。與其他材料不同，碳化硅能夠控制在寬范圍內制造器件所需的 P 型和 N 型區域。由于這些原因，SiC 是一種適用于功率器件的材料，并且能夠克服硅提供的限制。

SiC 如何實現比硅更好的熱管理？

另一個重要參數是熱導率，它是半導體如何散發其產生的熱量的指標。如果半導體不能有效散熱，則會對器件可以承受的最大工作電壓和溫度進行限制。這是碳化硅優于硅的另一個領域：碳化硅的熱導率為 1490 W/mK，而硅的熱導率為 150 W/mK。

SiC 反向恢復時間與 Si-MOSFET 相比如何？

SiC MOSFET 與其硅對應物一樣，具有內部體二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復行為，當二極管在承載正正向電流時關閉時會發生這種情況。因此，反向恢復時間 (trr) 成為定義 MOSFET 特性的重要指標。圖 比較了 1000V Si 基 MOSFET 和 SiC 基 MOSFET 的 trr?？梢钥闯?，SiC MOSFET 的體二極管速度極快：trr 和 Irr 的值小到可以忽略不計，能量損失 Err 大大降低。

圖 ：反向恢復時間比較（圖片：Rohm）

為什么軟關斷對于短路保護很重要？

SiC MOSFET 的另一個重要參數是短路耐受時間 (SCWT)。由于 SiC MOSFET 占用的芯片面積非常小，并且具有高電流密度，因此它們承受可能導致熱斷路的短路的能力往往低于硅基器件。以 TO247 封裝的 1.2kV MOSFET 為例，在 Vdd=700V 和 Vgs=18V 時的短路耐受時間約為 8-10 μs。隨著 Vgs 降低，飽和電流降低，耐受時間增加。隨著 Vdd 降低，產生的熱量更少，耐受時間更長。由于關斷 SiC MOSFET 所需的時間極短，因此當關斷率 Vgs 較高時，高 dI/dt 會導致嚴重的電壓尖峰。因此，應使用軟關斷來逐漸降低柵極電壓，避免出現過壓峰值。

為什么隔離式柵極驅動器是更好的選擇？

許多電子設備既是低壓電路又是高壓電路，它們相互連接以執行控制和供電功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級側（電源、通信和控制電路）和次級側（高壓電路、電機、功率級和輔助電路）。位于初級側的控制器通常使用來自高壓側的反饋信號，如果不存在隔離柵，則很容易受到損壞。隔離柵將電路從初級側電隔離到次級側，形成單獨的接地參考，實現所謂的電流隔離。這可以防止不需要的 AC 或 DC 信號從一側傳輸到另一側，從而損壞電源組件。

審核編輯：湯梓紅