SiC相對于傳統Si的優勢如何

碳化硅(SiC)技術已達到臨界點，即不可否認的優勢推動技術快速采用的狀態。

如今，出于多種原因，希望保持競爭力并降低長期系統成本的設計人員正在轉向基于SiC的技術，其中包括：

降低總擁有成本：基于SiC的設計雖然需要前期投資，但可以通過能源效率、更小的系統尺寸和可靠性來降低系統成本。

克服設計挑戰：SiC的特性使設計人員能夠開發出運行溫度更低、開關速度更快且工作電壓更高的更小型器件。

提高可靠性和性能：借助更小、更冷的設備，設計人員可以自由地做出更具創新性的設計選擇，更容易滿足市場需求。

當今大多數電子產品都依賴于金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，該晶體管于1959年由貝爾實驗室發明，并在20世紀60年代初得到廣泛采用。MOSFET通過改變施加在柵極端子上的電壓來控制器件溝道的電導率，從而實現信號放大或開關和功率處理。

硅(Si)仍被用作構建MOSFET的主要材料，但當今的設備性能需求正在將Si技術推向材料極限。

SiC相對于傳統Si的優勢

自從馬力意味著能源的使用及其從來源到最終應用的轉換一直是發展的主題，而犁的設計對于準備播種所需的天數至關重要。

今天，我們更多地考慮從發電機輸出到許多應用的最終電壓的電能和功率轉換，無論是用于處理器的0.6VDC、用于工業電機驅動的24VDC至500VAC還是用于為電動汽車電池充電的400VDC。轉換過程總是使用功率半導體開關，幾十年來，硅基類型以Si-MOSFET和IGBT的形式一直占據主導地位。

這些開關的損耗使其效率低于SiC。減少電力浪費和熱量是最大限度降低運營成本和實現能源效率的首要關注點。

近年來，SiC和氮化鎵(GaN)等硅替代材料已變得可行。兩者都具有能夠逐步提高功率轉換效率的特性。這些寬帶隙器件并不是硅的簡單替代品。應用電路設計必須匹配才能充分發揮性能優勢。（圖1顯示了材料之間的主要區別。）

Si、SiC和GaN–傳導損耗

Si-IGBT具有幾乎恒定的導通狀態集電極-發射極飽和電壓，該電壓隨著集電極電流而產生傳導損耗。Si-MOSFET具有導通電阻，因此功耗為I.R(ON)2（記為：），這在高電流水平下可能會令人望而卻步。

在低電壓和中低功率下，具有低R(ON)的Si-MOSFET的傳導損耗比IGBT更小。SiC和GaN材料的臨界擊穿電壓比Si高得多，因此可以實現更薄的漂移層和更高的摻雜濃度。這使得給定芯片面積和額定電壓的導通電阻更低，通過降低功率損耗提供更高的效率。

此外，SiC的導熱率是Si的三倍以上，因此可以在相同的溫升下使用更小的芯片。SiC和GaN還具有更高的最大工作溫度、限制器件應力，從而比Si提高了效率。

Si、SiC和GaN–開關損耗

高轉換器開關頻率是一個理想的特性，因為相關組件（特別是磁性元件）可以更小，從而產生小型化優勢并節省成本。然而，所有器件的開關損耗都與頻率成正比。由于“尾電流”、必要的緩沖器以及高器件電容的充電/放電造成的功率損耗，IGBT很少在20kHz以上運行。Si-MOSFET可以以數百kHz的頻率進行開關，但隨著頻率上升，能量損失、存儲在輸出電容(EOSS)中的能量以及流向輸出電容的循環電流將成為限制因素。SiC和GaN提供更高的電子飽和速度和更低的電容，在更快的開關速度和更低的功率損耗方面提供了巨大的優勢。

當導電溝道反向偏置時，“第三象限”器件的特性也很重要。例如，當通過半橋驅動感性負載時就會發生這種情況（參見圖2）。IGBT不會反向導通，因此需要反并聯二極管，該二極管必須是具有低電壓降的快速恢復類型。Si和SiC-MOSFET具有固有的快速體二極管，但可以通過其通道反向傳導，損耗低，并且在通過柵極導通時無反向恢復效應。

即使MOSFET在第三象限導通時主動導通，體二極管也會在兩個開關均關閉時導通一小段時間，以防止通過半橋的直通電流。當體二極管導通時，這就是所謂的“死區時間”，由于相對較高的正向壓降和二極管開關所需的反向恢復而導致額外的功率損耗。SiC和GaN的過渡時間更快，可以縮短死區時間和相關損耗。

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審核編輯：彭菁