功率电子器件从硅（Si）到碳化硅（SiC）的过渡

Qorvo半导体 2023-12-21 1249

描述

众所周知，硅（Si）材料及其基础上的技术方向曾经改变了世界。硅材料从沙子中提炼，构筑了远比沙土城堡更精密复杂的产品。如今，碳化硅（SiC）材料作为一种衍生技术进入了市场——相比硅材料，它可以实现更高功率等级的功率转换、更快的开关速度、传热效率上也优于硅材料。本篇博客探讨了SiC材料如何提升产品性能以超越基于硅材料的领域，从而为我们全新的数字世界创造下一代解决方案。

硅基MOSFET、碳化硅（SiC）MOSFET、氮化镓（GaN）HEMT或碳化硅（SiC）FET等功率电子器件是用于众多市场领域的主要技术构件。长期以来，硅一直是功率电子应用中的首选半导体材料。直到最近，由于SiC技术性能和可靠性的显著提升，人们开始从硅转向SiC器件。

SiC的性能优势已在电动车、白色家电、基础设施、太阳能/可再生能源、数据中心等多个电力电子市场产生深远的影响。得益于更大的带隙能量（即3.3eV，而硅为1.1eV——参见图2）和更高的击穿电压，SiC可用于创建更新颖、更高性能的解决方案。

如今，制造商采用SiC技术来开发基于各种半导体器件的功率电子模块，如双极结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。在接下来的章节中，我们将探讨为何SiC正在成为面向未来的突破性电力电子技术。

采用SiC vs. Si：优势对比

首先，SiC MOSFET或SiC FET与硅器件相比具有若干优势。SiC更高的击穿电压意味着可以使用更轻薄的器件来支持更高的电压。另外，SiC相较于硅的其它优势还包括：

作为一种宽带隙材料，在高温条件下漏电流较低；
更高的热导率，有助于支持高电流密度应用；
更低的能量损耗，有助于最大限度减少功率损耗；
更高的开关频率，减小了大型外围被动元器件的尺寸和重量；
较小的裸片尺寸和较低寄生电容带来更低的开关损耗，使得功率转换器能够在更高的开关频率及速度下运行；
能够在更高的环境温度下正常工作，有助于减小散热器的尺寸。

由此，我们现在可以看到SiC器件相对于硅基器件的诸多优势；这也成为许多应用从硅转向SiC的原因。

了解SiC的电热优势

在电力电子领域，如何在高功率应用中有效减少或最小化功耗损失一直是非常重要的。与此类似，满足极端条件下的热设计要求也是非常重要的。SiC不但能够满足以上这些要求，其漏极-源极电阻（R_DS(ON)）比硅器件低300到400倍。这一品质因数（FOM）是生产厂家的福音，基于这个特点，这些客户可以设计出高效率的电力电子设备。此外，有效裸片面积相同的情况下，碳化硅器件（SiC）可以转换的功率等级比基于硅（Si）的器件更高——换句话说，碳化硅器件（SiC）可以用更小的芯片尺寸实现相同的功率等级转换。

此外，SiC具有较高的电热导率和快速开关功能，以及较低的输出电容与R_DS(ON)。因为碳化硅（SiC）器件可以转换更高等级的能量并且理论上具备更高的开关频率，可以帮助制造商节省系统成本。原因何在？因为这些品质因数（FOM）意味着那些被动元器件的尺寸可以大大减少，例如：变压器、扼流圈和电感器等磁性部件，而这些器件在开关电源设计中所有开关电源设计中都必不可少的；所有这些FOM意味着碳化硅器件（SiC）将在三相逆变器、数字电源和功率电子变换器（AC/DC和DC/DC）等应用中大有作为。

效率是各个制造商当下所追求的另一个FOM。鉴于全球都在推进“绿色”能源倡议，在许多应用中，效率也已成为一个关键的推动因素。下文中的图1显示了SiC相对于硅材料可实现更高的效率；这使其成为当今许多下一代设计中的首选技术。

图1，硅（Si）与碳化硅（SiC）的比较

SiC等宽带隙半导体技术是下一代高效功率电子器件的理想选择（见图2）。SiC从650V电压开始便表现出出色的电压阻断能力，且在更高电压下所带来的优势更为显著。下一代解决方案的一个关键举措是“绿色（即高能效）”系统的构建。SiC则可提供这种能力——其宽带隙特性可实现更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量，和更低的总体成本——即相当于“更环保”的解决方案。

图2，硅（Si）和碳化硅（SiC）参数对比表格

写在最后：一些结论

现在，我们对Si与SiC之间的比较有了更好的理解。在我们所处的全新数字世界，两者在诸多应用中均占有一席之地；然而，在很多解决方案中，SiC能够实现更优秀的性能指标。SiC技术能够被应用在广泛的电力电子解决方案中。由于具备较广的工作栅极驱动范围，在高频DC/DC和AC/DC等应用中采用SiC会带来许多优势。此外，在电动车逆变器中使用SiC，更可获得更低的导通损耗和强大的短路处理能力。

SiC技术的不断进步将促使其在更多应用中得到推广，并开拓其它领域。同时，封装设计的进步、市场接受度的提高，以及市场空间的快速增长，都会进一步助力SiC技术应用于更多解决方案。

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原文标题：功率电子器件从硅（Si）到碳化硅（SiC）的过渡

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