硅碳化物(SiC)技術已經達到了臨界點，即無可否認的優勢推動一項技術快速被采用的狀態。

如今，為了保持競爭力并降低長期系統成本，設計師們出于諸多原因轉向SiC基技術，包括以下幾點：

降低總擁有成本：SiC基設計雖然需要前期投資，但通過能效、更小的系統尺寸和可靠性，可以實現系統成本的降低。

克服設計挑戰：SiC的特性使設計師能夠開發更小、運行溫度更低、切換更快且在更高電壓下操作的設備。

提高可靠性和性能：隨著更小、溫度更低的設備，設計師們可以自由地做出更多創新的設計選擇，更容易地滿足市場需求。

如今，大多數電子產品仍然依賴于1959年在貝爾實驗室發明的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，并在上世紀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率，從而實現信號放大、開關和功率處理。

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

SiC相對傳統Si的優勢

能源使用及其從源頭到最終應用的轉換，從馬力恰好意味著這一點開始發展，而犁的設計對于準備耕地需要多少天至關重要。

今天，我們更多地關注電能和從發電機輸出到一系列應用的終端電壓的轉換，無論是0.6VDC的處理器、24VDC到500VAC的工業電機驅動還是400VDC的電動汽車電池充電。轉換過程不可避免地使用功率半導體開關，而Si基類型在形式上主導了幾十年，如Si-MOSFET和IGBT。

這些開關的損耗使它們的效率低于SiC。減少功率浪費和熱量是降低運營成本、實現能效的主要關注點。

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

Si、SiC和GaN – 傳導損耗

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

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

此外，SiC的熱導率比Si高三倍多，使得可以使用更小的晶片來實現相同的溫升。SiC和GaN還通過具有更高的最大工作溫度而在效率上優于Si，限制器件應力。

Si、SiC和GaN - 開關損耗

高變換器開關頻率是一種可取的特性，因為相關元件，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省。然而，所有器件的開關損耗與頻率直接成比例。IGBT很少在20kHz以上運行，因為由于“尾電流”，必須有遏制電容器以及高器件電容的充電/放電，會導致功率損失。Si-MOSFET可以在數百kHz下切換，但能量損失，輸出電容中儲存的能量(EOSS)，在循環電流到輸出電容時會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和減少功率損耗方面提供了實質性的優勢。

器件在“第三象限”中的特性也很重要，當導電通道被反偏時。例如，通過半橋驅動感應負載時會出現這種情況(見圖2)。IGBT不會再反向導電，因此它們需要一個反并聯二極管，這必須是一個具有低電壓降的快速恢復型。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行反向導電，損失小且在通過它們的柵極開關ON時沒有反向恢復效應。

即使MOSFET在第三象限中被主動開啟，當兩個開關都關閉時，本體二極管會短暫導電，以防止半橋中的射頻電流。這就是所謂的“死時間”，當本體二極管導電時，由于相對較高的正向電壓降和反向恢復需要切斷二極管。SiC和GaN的更快的過渡時間使得死時間和相關的損耗變小。

配置為高電子遷移率晶體管(HEMTs)的GaN開關沒有本體二極管。與MOSFET類似，HEMT通道可以反向導電，但在任何死時間內也存在本體二極管效應。這會在2V范圍內產生一個與柵極閾值電壓大致相等的電壓降。除非通道被主動打開，否則這可能會導致功耗。

其他要點：

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

2. 其關鍵優勢包括提供更高的電壓操作、更寬的溫度范圍以及與現有Si技術相比的增加的開關頻率。

3. SiC的優勢還包括通過微型化進步、降低散熱要求以及在Si材料上最多降低10-20%的整體系統成本來獲得顯著的效率提升。

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審核編輯：湯梓紅