SiC器件如何重塑半导体行业？未来影响深度解析

第三代碳化硅 (SiC) 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，工程师们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，以满足消费者和行业的需求。

碳化硅的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（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，并且第一个 LED 效应是在 1907 年用 SiC 晶体产生的。

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，产生了以前在高频下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。这一切都伴随着成本、重量和尺寸的节省。

SiC FET

共源共栅引领 WBG 封装。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 技术的领先地位。它们在归一化导通电阻与芯片面积 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，SiC FET 在 650V 器件上实现小于 7 毫欧的导通电阻，在 1200V 额定值下实现小于 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

图1：SOT-227 封装中的六个 SiC FET，额定电压为 1200V 2 毫欧

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、快速恢复的体二极管，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，以控制 SiC FET 的开关速度。还可以考虑其他好处，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，但可以有效地被 SiC FET 体二极管效应取代。在 EV 电机驱动逆变器应用中，有效率增益，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。

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——从而减轻重量、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 相比效率节省。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。总体而言，可以节省成本和浪费的环境能源。

所有电源转换领域的新设计，包括大功率 AC-DC 和 DC-DC 转换器，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性元件、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。

碳化硅 FET 的未来

碳化硅 FET 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 技术都可以实现甚至更好的性能。

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

有许多设备参数都有改进的路线图，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，这也减少了芯片电容，从而减少了动态损耗。

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。碳化硅技术允许极端耐受高峰值结温，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。

封装也将发展

SiC FET 已经在更高的功率和更高的开关频率下开辟了新的应用——这仅仅是几年前的一个开始。与硅器件开发的长期记录相比，碳化硅只是漫长道路的开始，令人兴奋的性能里程碑已经在望。

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。这些将在 MV-XFC 快速充电器、牵引、可再生能源发电、固态变压器和高压直流 (HVDC) 中找到应用。

未来

几代 SiC FET 已经在更高功率和更高开关频率下开辟了新的应用——这仅仅是几年前的一个开始。与硅器件开发的长期记录相比，碳化硅只是漫长道路的开始，令人兴奋的性能里程碑已经在望。

来源：Anup Bhalla

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