碳化硅相对于硅的优势

在逆变器、电机驱动器和电池充电器等应用中，碳化硅（SiC）器件具有更高的功率密度、更低的冷却要求和更低的整体系统成本等优势。

尽管碳化硅器件的成本高于硅器件，但系统级器件的优势，特别是在1,200V电压下，足以弥补较高的器件成本。与硅相比，在600V或低于600V时，其优势微乎其微。碳化硅芯片需要专门设计的封装和栅极驱动器才能获得优势。

碳化硅相对于硅的优势

通常，碳化硅在反向恢复阶段损失的能量仅为硅损失能量的1%。由于实际上没有尾电流，因此可以更快地关断并显著降低损耗。由于耗散的能量较少，因此SiC器件可以在更高的频率下切换并提高效率。

碳化硅的效率更高、尺寸更小、重量更轻，可以创建更高额定值的解决方案或更小的设计，同时降低冷却要求。

硅的性能在较高的温度下会变差，而碳化硅则更稳定。硅器件通常在室温下过高规格，以在较高温度下保持规格。通常，额定电流为一半的SiC器件将执行与硅IGBT相同的工作，因为SiC在较高温度下更加稳定，并且不需要显着降额。

碳化硅的工作电压高于10kV，大大高于目前可以使用的电压。提供额定电压为1,200V和1,700V的SiC器件。由于电弧、爬电距离和电气间隙等问题，封装已成为限制因素，而不是半导体技术。

更低的损耗

碳化硅模块中能量损耗的主要来源是传导损耗。作为一种宽禁带材料，SiC具有低栅极电荷，这意味着SiC需要更少的能量来使器件开关。

由于反向恢复能量和尾电流的显著改善，二极管开关损耗几乎被消除。开关导通损耗是电阻性的，因此在两种技术中是相似的。下一代碳化硅工艺有望进一步改进。

更高的频率意味着磁性的尺寸和重量减小，因为变压器LC滤波器中的元件值会明显降低。

SiC的平均失效时间（MTTF）是硅的10倍，对辐射和单粒子失效的敏感度降低30倍。然而，SiC具有较低的短路容限，因此需要一个快速作用的栅极驱动器。

对于低速应用来说，较高频率的开关通常不是一个优势。在这种情况下，SiC器件的成本溢价和额外的设计考虑是不合理的，这使得硅IGBT成为更合乎逻辑的解决方案。

碳化硅的供应也有限。在600V/650V时，SiC器件的可用性很低，而且大多是分立元件。

硅IGBT在设计过程中对RFI问题的缓解要求较少。在发生短路时，不需要高性能栅极驱动器来管理关断或快速反应以保护器件。

栅极驱动器

碳化硅器件需要专门设计的栅极驱动器。专为驱动硅IGBT而设计的IGBT将不支持SiC器件的开关速度，也不支持在发生短路时保护SiC器件所需的快速故障响应时间。

它们还需要与硅IGBT对应物不同的驱动电压。电压轨通常是不对称的，通常需要几伏的负电压轨才能使器件完全关断。

另一个考虑因素是SiC模块需要增强关断。更高的频率/更硬的开关与较低的内部损耗相结合，会导致电流尖峰和振铃问题。

增强型或“软”关断使用中间电压阶跃来管理突然电流变化的影响并减轻振铃。由于内部损耗的阻尼作用，硅器件受到的影响较小。

包装问题

由于碳化硅的性能改进，封装技术现在已成为主要制约因素，即使对于碳化硅优化封装也是如此。SanRex（如图）、英飞凌和Wolfspeed已经开发出了专有的SiC封装。

与硅相比，碳化硅封装通常更小、更扁平、热效率更高，尽管它们必须采用对称布局设计，以最大限度地降低环路电感。碳化硅的优势没有得到实现，因为芯片安装在传统封装中，设计用于在较低频率下进行开关，具有更宽松的上升和下降时间要求。由于波传播效应，非对称设计在较高频率下表现不佳。

如果要实现该技术的优势，则必须使用SiC专用封装和栅极驱动器，这使得SiC成为新系统设计的理想选择。

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