碳化硅 （SiC） 是一種下一代材料，計劃顯著降低功率損耗并實現更高的功率密度、電壓、溫度和頻率，同時減少散熱。高溫可操作性降低了冷卻系統的復雜性，從而降低了電源系統的整體架構。

與過去幾十年相比，航空業最近經歷了快速增長，到 2020 年，預計空中交通量將以每年 5% 的速度增長。新的航空航天世界在用于電源和電機控制的 SiC 器件中找到了新的電源管理解決方案。

碳化硅有望在航空工業中降低重量和減少燃料消耗和排放，例如，碳化硅 MOSFET 在更高工作溫度下的穩定可操作性吸引了研究人員對高功率密度功率轉換器的興趣。

用于飛機的 SiC 器件 More Electric Aircraft （MEA） 是 10 多年來專注于航空工業的研發課題，它代表了電子系統設計和生產的一場革命。結果導致新的電源解決方案從主要的輔助支持網絡擴展到顯著更高的能源需求，不僅為飛行娛樂系統（后部平面屏幕）供電，還為環境控制設備、電動機和無數安全系統供電和整個飛機的傳感器。

使用 SiC 和氮化鎵 （GaN） 等材料開發能夠承受高電壓和電流的新型半導體器件，為電力電子技術帶來了決定性的積極變化。SiC具有寬帶隙、高導熱性和高抗電場破壞能力，有助于降低功率損耗。除航空航天領域外，一個特定的應用領域是電動汽車，其中對更緊湊、高功率密度和高溫運行的需求至關重要。

硅一直是許多應用中的主要技術，但隨著這些新型寬帶功率半導體（特別是 SiC MOSFET 和 SiC 二極管）的出現，與傳統的硅基技術相比，電力電子設計人員可以利用新的更高開關速度并降低損耗。

此外，SiC MOSFET 技術有望顯著減小航空電子電源開關的尺寸和重量，顯著降低燃料消耗和排放，符合各國政府的目標。航空業已經認識到 SiC 的潛在優勢，它對電源系統的所有領域都有明顯的影響。

在飛機上，我們可以識別各種使用電源組件的電子系統。AC/DC 和 DC/DC 電源轉換器用于高壓和低壓 （28 V） 的各種解決方案。

使用 SiC 器件的電力電子和電機驅動電路的關鍵設計問題之一是柵極驅動調節電路的管理。管理門控時序是一項嚴峻的挑戰。一種方法是平衡 SiC 器件的速度，以確保將損耗保持在最低水平，這可以通過精確的柵極驅動器設計來實現。

在過去幾年中，市場上來自多家供應商的 1，200-V SiC MOSFET 在高溝道遷移率、氧化物壽命和閾值電壓穩定性方面達到了出色的質量水平。

飛機解決方案例如，Microchip Technology Inc. 通過其 Microsemi 子公司推出的新一代 1，200-V SiC MOSFET 和 1，200-V SiC 肖特基勢壘二極管 （SBD） 適用于開關電源和控制應用商業航空和汽車領域的模式。一個例子是 40-mΩ MSC040SMA120B MOSFET，它提供高短路電阻以實現可靠運行。

SiC MOSFET 和 SiC SBD 的設計具有在額定電流下非鉗位感應開關 （UIS） 的高重復能力，不會出現退化或故障。在車載充電和 DC-DC 電源轉換系統中集成 SiC 器件可實現更高的開關頻率和更低的損耗（圖 1）。

評估 SiC MOSFET 的一個重要參數是雪崩耐用性，它通過 UIS 測試進行評估。雪崩能量顯示了 MOSFET 在驅動感性負載時有時會發生瞬變的能力。

圖 1：Microsemi 的 MSC040SMA120B MOSFET 的動態特性。

SiC MOSFET 的故障時間 （FIT） 速度比 IGBT 低 10 倍。它們提供相似的標稱電壓，而 SBD 完善了 SiC MOSFET 的穩健性，其 UIS 值比其他典型解決方案高 20%。與 IGBT 相比，它們還可以在更高的開關頻率下提供更好的效率、減小的系統尺寸和重量、高溫運行穩定性 （175°C），并顯著節省冷卻成本。

由于碳化硅具有比硅更高的臨界破裂場，因此 SiC MOSFET 可以在比硅 MOSFET 更小的封裝中實現相同的額定電壓。Solid State Devices Inc. （SSDI）的 SFC35N120就是一個例子。1，200-V SiC 功率 MOSFET 提供低于 30 ns 的典型快速開關速度。該器件在 150°C 時的最大電阻為 190 mΩ，有助于并行配置并減少對風扇和散熱器等熱管理硬件的需求。

Analog Devices Inc. 與 Microsemi 之間的合作將首款用于 SiC 半橋電源模塊 的高功率評估板推向市場，其開關頻率高達 1，200 V 和 50 A @ 200 kHz。該卡旨在提高設計的可靠性，同時減少創建額外原型的需要以節省時間，以及降低成本和上市時間。大功率評估板適用于電動汽車 （EV） 充電、車載 EV/HEV 充電、DC/DC 轉換器、開關模式電源、大功率電機控制和驅動系統、航空、磁共振和X 射線。

來自 Cree 公司 Wolfspeed的 1，200-V CAS325M12HM2 SiC 電源模塊采用 SiC 半橋拓撲結構，代表了采用高性能 62-mm 封裝的新一代全 SiC 電源模塊。該模塊使用 1，200-V C2M SiC MOSFET 和 1，200-V 肖特基二極管。SiC 器件卓越的熱特性以及設計和封裝材料使該模塊能夠在 175°C 下運行，這對于許多工業、航空航天和汽車應用來說是一個至關重要的優勢。

結論與硅 MOSFET 和 IGBT 解決方案相比，SiC MOSFET 和 SiC SBD 產品線提高了電源系統的效率，同時降低了總擁有成本，允許擴展系統以及更小、更便宜的冷卻。

基于 SiC 的開關器件的主要優勢之一是在惡劣環境 （600°C） 中運行，在這些環境中，傳統的硅基電子設備無法工作。碳化硅在高溫、高功率和高輻射條件下運行的能力將提高各種系統和應用的性能，包括飛機、車輛、通信設備和航天器。

今天，SiC MOSFET 是長期可靠的功率器件。未來，預計多芯片電源或混合模塊將在 SiC 領域發揮更重要的作用。