【導讀】眾所周知，硅（Si）材料及其基礎上的技術(shù)方向曾經(jīng)改變了世界。硅材料從沙子中提煉，構筑了遠比沙土城堡更精密復雜的產(chǎn)品。如今，碳化硅（SiC）材料作為一種衍生技術(shù)進(jìn)入了市場(chǎng)——相比硅材料，它可以實(shí)現更高功率等級的功率轉換、更快的開(kāi)關(guān)速度、傳熱效率上也優(yōu)于硅材料。本篇博客探討了SiC材料如何提升產(chǎn)品性能以超越基于硅材料的領(lǐng)域，從而為我們全新的數字世界創(chuàng )造下一代解決方案。
眾所周知，硅（Si）材料及其基礎上的技術(shù)方向曾經(jīng)改變了世界。硅材料從沙子中提煉，構筑了遠比沙土城堡更精密復雜的產(chǎn)品。如今，碳化硅（SiC）材料作為一種衍生技術(shù)進(jìn)入了市場(chǎng)——相比硅材料，它可以實(shí)現更高功率等級的功率轉換、更快的開(kāi)關(guān)速度、傳熱效率上也優(yōu)于硅材料。本篇博客探討了SiC材料如何提升產(chǎn)品性能以超越基于硅材料的領(lǐng)域，從而為我們全新的數字世界創(chuàng )造下一代解決方案。
硅基MOSFET、碳化硅（SiC）MOSFET、氮化鎵（GaN）HEMT或碳化硅（SiC）FET等功率電子器件是用于眾多市場(chǎng)領(lǐng)域的主要技術(shù)構件。長(cháng)期以來(lái)，硅一直是功率電子應用中的首選半導體材料。直到最近，由于SiC技術(shù)性能和可靠性的顯著(zhù)提升，人們開(kāi)始從硅轉向SiC器件。
SiC的性能優(yōu)勢已在電動(dòng)車(chē)、白色家電、基礎設施、太陽(yáng)能/可再生能源、數據中心等多個(gè)電力電子市場(chǎng)產(chǎn)生深遠的影響。得益于更大的帶隙能量（即3.3eV，而硅為1.1eV——參見(jiàn)圖2）和更高的擊穿電壓，SiC可用于創(chuàng )建更新穎、更高性能的解決方案。
如今，制造商采用SiC技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)基于各種半導體器件的功率電子模塊，如雙極結型晶體管（BJT）、結型場(chǎng)效應晶體管（JFET）和金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）。在接下來(lái)的章節中，我們將探討為何SiC正在成為面向未來(lái)的突破性電力電子技術(shù)。
1. 采用SiC vs. Si：優(yōu)勢對比
首先，SiC MOSFET或SiC FET與硅器件相比具有若干優(yōu)勢。SiC更高的擊穿電壓意味著(zhù)可以使用更輕薄的器件來(lái)支持更高的電壓。另外，SiC相較于硅的其它優(yōu)勢還包括：
作為一種寬帶隙材料，在高溫條件下漏電流較低；
更高的熱導率，有助于支持高電流密度應用；
更低的能量損耗，有助于最大限度減少功率損耗；
更高的開(kāi)關(guān)頻率，減小了大型外圍被動(dòng)元器件的尺寸和重量；
較小的裸片尺寸和較低寄生電容帶來(lái)更低的開(kāi)關(guān)損耗，使得功率轉換器能夠在更高的開(kāi)關(guān)頻率及速度下運行；
能夠在更高的環(huán)境溫度下正常工作，有助于減小散熱器的尺寸。
由此，我們現在可以看到SiC器件相對于硅基器件的諸多優(yōu)勢；這也成為許多應用從硅轉向SiC的原因。
2. 了解SiC的電熱優(yōu)勢
在電力電子領(lǐng)域，如何在高功率應用中有效減少或最小化功耗損失一直是非常重要的。與此類(lèi)似，滿(mǎn)足極端條件下的熱設計要求也是非常重要的。SiC不但能夠滿(mǎn)足以上這些要求，其漏極-源極電阻（RDS(ON)）比硅器件低300到400倍。這一品質(zhì)因數（FOM）是生產(chǎn)廠(chǎng)家的福音，基于這個(gè)特點(diǎn)，這些客戶(hù)可以設計出高效率的電力電子設備。此外，有效裸片面積相同的情況下，碳化硅器件（SiC）可以轉換的功率等級比基于硅（Si）的器件更高——換句話(huà)說(shuō)，碳化硅器件（SiC）可以用更小的芯片尺寸實(shí)現相同的功率等級轉換。
此外，SiC具有較高的電熱導率和快速開(kāi)關(guān)功能，以及較低的輸出電容與RDS(ON)。因為碳化硅（SiC）器件可以轉換更高等級的能量并且理論上具備更高的開(kāi)關(guān)頻率，可以幫助制造商節省系統成本。原因何在？因為這些品質(zhì)因數（FOM）意味著(zhù)那些被動(dòng)元器件的尺寸可以大大減少，例如：變壓器、扼流圈和電感器等磁性部件，而這些器件在開(kāi)關(guān)電源設計中所有開(kāi)關(guān)電源設計中都必不可少的；所有這些FOM意味著(zhù)碳化硅器件（SiC）將在三相逆變器、數字電源和功率電子變換器（AC/DC和DC/DC）等應用中大有作為。
效率是各個(gè)制造商當下所追求的另一個(gè)FOM。鑒于全球都在推進(jìn)“綠色”能源倡議，在許多應用中，效率也已成為一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素。下文中的圖1顯示了SiC相對于硅材料可實(shí)現更高的效率；這使其成為當今許多下一代設計中的首選技術(shù)。
圖1，硅（Si）與碳化硅（SiC）的比較
SiC等寬帶隙半導體技術(shù)是下一代高效功率電子器件的理想選擇（見(jiàn)圖2）。SiC從650V電壓開(kāi)始便表現出出色的電壓阻斷能力，且在更高電壓下所帶來(lái)的優(yōu)勢更為顯著(zhù)。下一代解決方案的一個(gè)關(guān)鍵舉措是“綠色（即高能效）”系統的構建。SiC則可提供這種能力——其寬帶隙特性可實(shí)現更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量，和更低的總體成本——即相當于“更環(huán)?！钡慕鉀Q方案。
圖2，硅（Si）和碳化硅（SiC）參數對比表格
3. 結論
現在，我們對Si與SiC之間的比較有了更好的理解。在我們所處的全新數字世界，兩者在諸多應用中均占有一席之地；然而，在很多解決方案中，SiC能夠實(shí)現更優(yōu)秀的性能指標。SiC技術(shù)能夠被應用在廣泛的電力電子解決方案中。由于具備較廣的工作柵極驅動(dòng)范圍，在高頻DC/DC和AC/DC等應用中采用SiC會(huì )帶來(lái)許多優(yōu)勢。此外，在電動(dòng)車(chē)逆變器中使用SiC，更可獲得更低的導通損耗和強大的短路處理能力。
SiC技術(shù)的不斷進(jìn)步將促使其在更多應用中得到推廣，并開(kāi)拓其它領(lǐng)域。同時(shí)，封裝設計的進(jìn)步、市場(chǎng)接受度的提高，以及市場(chǎng)空間的快速增長(cháng)，都會(huì )進(jìn)一步助力SiC技術(shù)應用于更多解決方案。
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