硅碳化物(SiC)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了臨界點(diǎn)，即無可否認(rèn)的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)一項(xiàng)技術(shù)快速被采用的狀態(tài)。

如今，為了保持競(jìng)爭(zhēng)力并降低長期系統(tǒng)成本，設(shè)計(jì)師們出于諸多原因轉(zhuǎn)向SiC基技術(shù)，包括以下幾點(diǎn)：

降低總擁有成本：SiC基設(shè)計(jì)雖然需要前期投資，但通過能效、更小的系統(tǒng)尺寸和可靠性，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本的降低。

克服設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：SiC的特性使設(shè)計(jì)師能夠開發(fā)更小、運(yùn)行溫度更低、切換更快且在更高電壓下操作的設(shè)備。

提高可靠性和性能：隨著更小、溫度更低的設(shè)備，設(shè)計(jì)師們可以自由地做出更多創(chuàng)新的設(shè)計(jì)選擇，更容易地滿足市場(chǎng)需求。

如今，大多數(shù)電子產(chǎn)品仍然依賴于1959年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，并在上世紀(jì)60年代初廣泛采用。MOSFET通過改變施加在柵極端子上的電壓來控制器件通道的電導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、開關(guān)和功率處理。

硅(Si)仍然是構(gòu)建MOSFET的主要材料，但今天的設(shè)備性能要求正在將Si技術(shù)推向材料極限。

SiC相對(duì)傳統(tǒng)Si的優(yōu)勢(shì)

能源使用及其從源頭到最終應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，從馬力恰好意味著這一點(diǎn)開始發(fā)展，而犁的設(shè)計(jì)對(duì)于準(zhǔn)備耕地需要多少天至關(guān)重要。

今天，我們更多地關(guān)注電能和從發(fā)電機(jī)輸出到一系列應(yīng)用的終端電壓的轉(zhuǎn)換，無論是0.6VDC的處理器、24VDC到500VAC的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)還是400VDC的電動(dòng)汽車電池充電。轉(zhuǎn)換過程不可避免地使用功率半導(dǎo)體開關(guān)，而Si基類型在形式上主導(dǎo)了幾十年，如Si-MOSFET和IGBT。

這些開關(guān)的損耗使它們的效率低于SiC。減少功率浪費(fèi)和熱量是降低運(yùn)營成本、實(shí)現(xiàn)能效的主要關(guān)注點(diǎn)。

近年來，作為硅的替代材料，SiC和氮化鎵(GaN)在形式上已經(jīng)成為可行選擇。這兩種寬禁帶器件具有使功率轉(zhuǎn)換效率顯著提高的特性。這些寬禁帶器件并不是對(duì)Si的簡(jiǎn)單替代品，應(yīng)用電路設(shè)計(jì)必須匹配以提取出全部性能優(yōu)勢(shì)。(圖1顯示了這些材料之間的主要差異。)

Si、SiC和GaN – 傳導(dǎo)損耗

Si-IGBT的基本上恒定的導(dǎo)通狀態(tài)集電極-發(fā)射極飽和電壓，隨集電流設(shè)置導(dǎo)通損耗。Si-MOSFET具有導(dǎo)通電阻，使得功率損耗為I.R(ON)2，表示為: ,在高電流水平時(shí)可能是禁制的。

在低電壓和低到中功率下，具有低R(ON)的Si-MOSFET的導(dǎo)通損耗可能比IGBT的少。SiC和GaN材料的臨界擊穿電壓遠(yuǎn)高于Si，允許更薄的漂移層和更高的摻雜濃度。這導(dǎo)致在給定的晶片面積和電壓等級(jí)下，導(dǎo)通電阻更低，通過降低功率損耗提供更高的效率。

此外，SiC的熱導(dǎo)率比Si高三倍多，使得可以使用更小的晶片來實(shí)現(xiàn)相同的溫升。SiC和GaN還通過具有更高的最大工作溫度而在效率上優(yōu)于Si，限制器件應(yīng)力。

Si、SiC和GaN - 開關(guān)損耗

高變換器開關(guān)頻率是一種可取的特性，因?yàn)橄嚓P(guān)元件，特別是磁性元件，可以更小，從而獲得微型化的益處和成本節(jié)省。然而，所有器件的開關(guān)損耗與頻率直接成比例。IGBT很少在20kHz以上運(yùn)行，因?yàn)橛捎凇拔搽娏鳌?，必須有遏?a target="_blank">電容器以及高器件電容的充電/放電，會(huì)導(dǎo)致功率損失。Si-MOSFET可以在數(shù)百kHz下切換，但能量損失，輸出電容中儲(chǔ)存的能量(EOSS)，在循環(huán)電流到輸出電容時(shí)會(huì)成為頻率上升的限制因素。SiC和GaN具有更高的電子飽和速度和更低的電容，從而在更高速的開關(guān)和減少功率損耗方面提供了實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)。

器件在“第三象限”中的特性也很重要，當(dāng)導(dǎo)電通道被反偏時(shí)。例如，通過半橋驅(qū)動(dòng)感應(yīng)負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況(見圖2)。IGBT不會(huì)再反向?qū)щ?，因此它們需要一個(gè)反并聯(lián)二極管，這必須是一個(gè)具有低電壓降的快速恢復(fù)型。Si-和SiC-MOSFET具有固有的快速本體二極管，但可以通過它們的通道進(jìn)行反向?qū)щ?，損失小且在通過它們的柵極開關(guān)ON時(shí)沒有反向恢復(fù)效應(yīng)。

即使MOSFET在第三象限中被主動(dòng)開啟，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)閉時(shí)，本體二極管會(huì)短暫導(dǎo)電，以防止半橋中的射頻電流。這就是所謂的“死時(shí)間”，當(dāng)本體二極管導(dǎo)電時(shí)，由于相對(duì)較高的正向電壓降和反向恢復(fù)需要切斷二極管。SiC和GaN的更快的過渡時(shí)間使得死時(shí)間和相關(guān)的損耗變小。

配置為高電子遷移率晶體管(HEMTs)的GaN開關(guān)沒有本體二極管。與MOSFET類似，HEMT通道可以反向?qū)щ?，但在任何死時(shí)間內(nèi)也存在本體二極管效應(yīng)。這會(huì)在2V范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與柵極閾值電壓大致相等的電壓降。除非通道被主動(dòng)打開，否則這可能會(huì)導(dǎo)致功耗。

其他要點(diǎn)：

1. SiC將很快超越Si，成為電壓等級(jí)高于600V的功率器件的主要半導(dǎo)體材料。

2. 其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括提供更高的電壓操作、更寬的溫度范圍以及與現(xiàn)有Si技術(shù)相比的增加的開關(guān)頻率。

3. SiC的優(yōu)勢(shì)還包括通過微型化進(jìn)步、降低散熱要求以及在Si材料上最多降低10-20%的整體系統(tǒng)成本來獲得顯著的效率提升。

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審核編輯：湯梓紅