2023 年 12 月 4 日

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    硅基MOSFET、碳化硅(SiC)MOSFET、氮化镓(GaN)HEMT或碳化硅(SiC)FET等功率电子器件是用于众多市场领域的主要技术构件。长期以来,硅一直是功率电子应用中的首选半导体材料。直到最近,由于SiC技术性能和可靠性的显著提升,人们开始从硅转向SiC器件。

    SiC的性能优势已在电动车、白色家电、基础设施、太阳能/可再生能源、数据中心等多个电力电子市场产生深远的影响。得益于更大的带隙能量(即3.3 eV,而硅为1.1 eV——参见图2)和更高的击穿电压,SiC可用于创建更新颖、更高性能的解决方案。

    如今,制造商采用SiC技术来开发基于各种半导体器件的功率电子模块,如双极结型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在接下来的章节中,我们将探讨为何SiC正在成为面向未来的突破性电力电子技术。

    采用SiC vs. Si:优势对比

    首先,SiC MOSFET或SiC FET与硅器件相比具有若干优势。SiC更高的击穿电压意味着可以使用更轻薄的器件来支持更高的电压。另外,SiC相较于硅的其它优势还包括:

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    • 作为一种宽带隙材料,在高温条件下漏电流较低
    • 更高的热导率,有助于支持高电流密度应用
    • 更低的能量损耗,有助于最大限度减少功率损耗
    • 更高的开关频率,减小了大型外围被动元器件的尺寸和重量
    • 较小的裸片尺寸和较低寄生电容带来更低的开关损耗,使得功率转换器能够在更高的开关频率及速度下运行
    • 能够在更高的环境温度下正常工作,有助于减小散热器的尺寸

    由此,我们现在可以看到SiC器件相对于硅基器件的诸多优势;这也成为许多应用从硅转向SiC的原因。

    了解SiC的电热优势

    在电力电子领域,如何在高功率应用中有效减少或最小化功耗损失一直是非常重要的。与此类似,满足极端条件下的热设计要求也是非常重要的。SiC不但能够满足以上这些要求,其漏极-源极电阻(RDS(ON) )比硅器件低300到400倍。这一品质因数(FOM)是生产厂家的福音,基于这个特点,这些客户可以设计出高效率的电力电子设备。此外,有效裸片面积相同的情况下,碳化硅器件(SiC)可以转换的功率等级比基于硅(Si)的器件更高——换句话说,碳化硅器件(SiC)可以用更小的芯片尺寸实现相同的功率等级转换。

    此外,SiC具有较高的电热导率和快速开关功能,以及较低的输出电容与RDS(ON)。因为碳化硅(SiC)器件可以转换更高等级的能量并且理论上具备更高的开关频率,可以帮助制造商节省系统成本。原因何在?因为这些品质因数(FOM)意味着那些被动元器件的尺寸可以大大减少,例如:变压器、扼流圈和电感器等磁性部件,而这些器件在开关电源设计中所有开关电源设计中都必不可少的;所有这些FOM意味着碳化硅器件( SiC)将在三相逆变器、数字电源和功率电子变换器(AC/DC和DC/DC)等应用中大有作为。

    效率是各个制造商当下所追求的另一个FOM。鉴于全球都在推进“绿色”能源倡议,在许多应用中,效率也已成为一个关键的推动因素。下文中的图1显示了SiC相对于硅材料可实现更高的效率;这使其成为当今许多下一代设计中的首选技术。

    图1,硅(Si)与碳化硅(SiC)的比较

    SiC等宽带隙半导体技术是下一代高效功率电子器件的理想选择(见图2)。SiC从650V电压开始便表现出出色的电压阻断能力,且在更高电压下所带来的优势更为显著。下一代解决方案的一个关键举措是“绿色(即高能效)”系统的构建。SiC则可提供这种能力——其宽带隙特性可实现更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量,和更低的总体成本——即相当于“更环保”的解决方案。

    图2,硅(Si)和碳化硅(SiC)参数对比表格

    写在最后:一些结论

    现在,我们对Si与SiC之间的比较有了更好的理解。在我们所处的全新数字世界,两者在诸多应用中均占有一席之地;然而,在很多解决方案中,SiC能够实现更优秀的性能指标。SiC技术能够被应用在广泛的电力电子解决方案中。由于具备较广的工作栅极驱动范围,在高频DC/DC和AC/DC等应用中采用SiC会带来许多优势。此外,在电动车逆变器中使用SiC,更可获得更低的导通损耗和强大的短路处理能力。

    此外,SiC技术的不断进步将促使其在更多应用中得到推广,并开拓其它领域。同时,封装设计的进步、市场接受度的提高,以及市场空间的快速增长,都会进一步助力SiC技术应用于更多解决方案。

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