5种罗姆常用的SiC功率器件介绍（上）

汽车日渐走向智能化、联网化与电动化的趋势，加上5G商用在即，这些将带动第三代半导体材料碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)的发展。根据拓墣产业研究院估计，2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元，而GaN基板产值仅约3百万美元。

第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。发展较好的宽禁带半导体主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些。

1、SiC肖特基二极管

因为Total Capacitive Charge(Qc)小、可以降低开关损失,实现高速开关。而且，Si快速恢复二极管的trr会随着温度上升而增大，而SiC则可以维持大体一定的特性。

肖特基二极管最主要的工艺特性是反向漏电和正向压降。SiC-SBD器件和硅肖特基类似，IV曲线雪崩部分较“软”，不同于它替代的硅PN管。这也是很多熟悉硅PN管的应用工程师很不习惯的地方。一般工况小、反向漏电造成的反向损耗（反向漏电×阻断电压）在总功耗中的贡献可以忽略不计。反向漏电的重要性在于它是表征可靠性（高温反偏和反向电压过载）的重要指标。经过多年的探索，SiC-SBD器件厂家，对何种漏电水平可能引起瞬时反向电压过载的耐受能力不足，已有足够认识。所以用户在选择产品时，不需要过多关注漏电水平。

我们主要介绍一下碳化硅肖特基二极管的主要优势，有如下特点：

有比超快恢复更高的开关速度，几乎无开关损耗，更高的开关频率，更高的效率。

有比肖特基更高的反向电压，更小的反向漏电。

更高的工作温度，反向漏电几乎不受温度影响

正的温度系数，适合于并联工作，解决并联导致可靠性下降难题。

开关特性几乎与温度无关，更加稳定。

2、SiCMOSFET

开关时的差动放大电流原则上是没有的，所以可以高速运作，开关损失降低。 小尺寸芯片的导通电阻低，所以实现低容量・低门极消耗。 Si产品随温度的上升导通电阻上升2倍以上，SiC的导通电阻上升小，可以实现整机的小型化和节能化。

碳化硅(SiC)MOSFET的优异技术功能必须搭配适合的成本定位、系统相容性功能、近似于硅的FIT率以及量产能力，才足以成为主流产品。电力系统制造商需在实际商业条件下符合所有上述多项要素，以开创功率转换的新局面，尤其是以能源效率以及「以更少投入获得更多产出」为目标的案例。

在未来，将有越来越多的功率电子应用无法仅倚赖硅(Si)装置满足目标需求。由于硅装置的高动态损耗，因此藉由硅装置提高功率密度、减少电路板空间、降低元件数量及系统成本，同时提高功率转换效能，即成为一个相互矛盾的挑战。为解决此问题，工程师们逐渐开始采用以碳化硅材料为基础的功率半导体来部署解决方案。

在这十多年来，诸如太阳能变频器中的MPP追踪或开关式电源供应器中的功率因数校正等应用中，使用Si IGBT加上SiC二极体或具有SiC二极体的超接面Si MOSFET已成为最先进的解决方案，可实现高转换效率及高可靠度的系统。市场报告甚至强调SiC二极体正进入生产率的平原期。SiC技术中的量产技术、生产品质监控以及具有优异FIT率的现场追踪记录，为采用包含SiC MOSFET之产品策略奠定了下一步基础。

3、SiC功率模块

内置的功率半导体元件全部由SiC构成，与Si(硅)材质的IGBT模块相比，可大幅降低开关损耗。 内置SiC-SBD、SiC-MOSFET，与传统的Si-IGBT相比，在100KHｚ以上的高频环境下工作成为可能。

罗姆于2012年3月份于全球首家开始量产内置功率半导体元件全部由碳化硅组成的全SiC功率模块。其后，产品阵容不断扩大，并拥有达1200V、300A的产品，各产品在众多领域中被广为采用。随着新封装的开发， 罗姆继续扩充产品阵容，如今已经拥有覆盖IGBT模块市场主要额定电流范围100A～600A的全SiC模块产品。利用这些模块，可大幅提升普通同等额定电流IGBT模块应用的效率，并可进一步实现小型化。

开关损耗大幅降低，可进一步提升大功率应用的效率

罗姆利用独有的内部结构并优化散热设计开发出新型封装，从而开发并推出了600A额定电流的全SiC功率模块产品。由此，全SiC功率模块在工业设备用大容量电源等更大功率产品中的应用成为可能。另外，与普通的同等额定电流的IGBT模块相比，Tj＝150℃时的开关损耗降低了64%（与市面上销售的IGBT模块产品技术规格书中的数据比较）。

审核编辑 黄宇