在逆變器、電機驅(qū)動器和電池充電器等應(yīng)用中，碳化硅(SiC)器件具有更高的功率密度、更低的冷卻要求和更低的整體系統(tǒng)成本等優(yōu)勢。

盡管SiC器件的成本高于其硅器件，但系統(tǒng)級優(yōu)勢（尤其是在1,200V時）足以彌補較高的器件成本。在600V或低于600V時，與硅相比優(yōu)勢微乎其微。SiC芯片需要專門設(shè)計的封裝和柵極驅(qū)動器才能獲得優(yōu)勢。

SiC相對于硅的優(yōu)勢

通常，SiC在反向恢復(fù)階段損失的能量僅為硅損失能量的1%。幾乎沒有尾電流可以實現(xiàn)更快的關(guān)斷并顯著降低損耗。由于消耗的能量較少，SiC器件可以以更高的頻率進(jìn)行開關(guān)并提高效率。

碳化硅的效率更高、尺寸更小、重量更輕，可以創(chuàng)建更高額定值的解決方案或更小的設(shè)計，同時降低冷卻要求。

硅的性能會隨著溫度的升高而惡化，而SiC則要穩(wěn)定得多。硅器件通常在室溫下被過度指定以在更高溫度下保持規(guī)格。通常，具有一半額定電流的SiC器件將執(zhí)行與硅IGBT相同的工作，因為SiC在較高溫度下更加穩(wěn)定并且不需要顯著降額。

SiC在10kV以上的電壓下運行，大大高于目前可以使用的電壓。可提供額定電壓為1,200V和1,700V的SiC器件。由于電弧、漏電和間隙等問題，封裝已成為限制因素——而非半導(dǎo)體技術(shù)。

降低損失

SiC模塊中能量損失的主要來源是傳導(dǎo)損失。作為一種寬帶隙材料，SiC具有低柵極電荷，這意味著SiC使器件開關(guān)所需的能量要少得多。

由于反向恢復(fù)能量和尾電流的顯著改善，二極管開關(guān)損耗幾乎被消除。開關(guān)傳導(dǎo)損耗是電阻性的，因此兩種技術(shù)的損耗相似。下一代SiC工藝有望進(jìn)一步改進(jìn)。

更高的頻率意味著減小磁性元件的尺寸和重量，因為變壓器LC濾波器中的元件值變得非常低。

SiC的平均故障時間(MTTF)是硅的10倍，對輻射和單事件故障的敏感度低30倍。然而，SiC的短路容限較低，因此需要快速響應(yīng)的柵極驅(qū)動器。

對于低速應(yīng)用，較高頻率的開關(guān)通常不是優(yōu)勢。在這種情況下，SiC器件的成本溢價和額外的設(shè)計考慮是不合理的，這使得硅IGBT成為更合乎邏輯的解決方案。

SiC的可用性也有限。在600V/650V下，SiC器件的可用性很低，而且大部分都是分立元件。

硅IGBT在設(shè)計過程中需要較少的RFI問題緩解。不需要高性能柵極驅(qū)動器來管理關(guān)斷或快速反應(yīng)以在發(fā)生短路時保護(hù)設(shè)備。

柵極驅(qū)動器

SiC器件需要專門設(shè)計的柵極驅(qū)動器。設(shè)計用于驅(qū)動硅IGBT的器件不支持SiC器件的開關(guān)速度，也不支持在發(fā)生短路時保護(hù)SiC器件所需的快速故障響應(yīng)時間。

它們還需要不同于硅IGBT對應(yīng)物的驅(qū)動電壓。電壓軌通常是不對稱的，通常需要幾伏的負(fù)軌才能使設(shè)備完全關(guān)閉。

另一個考慮因素是SiC模塊需要增強關(guān)斷。更高的頻率/更硬的開關(guān)與更低的內(nèi)部損耗相結(jié)合會導(dǎo)致電流尖峰和振鈴問題。

增強或“軟”關(guān)斷使用中間電壓階躍來管理電流突然變化的影響并減輕振鈴。由于內(nèi)部損耗的抑制作用，硅器件受到的影響較小。

包裝問題

由于SiC帶來的性能改進(jìn)，封裝技術(shù)現(xiàn)在已成為主要限制因素——即使對于SiC優(yōu)化封裝也是如此、Infineon和Wolfspeed開發(fā)了專有的SiC封裝。

SiC封裝通常比硅更小、外形更薄且熱效率更高，但它們必須采用對稱布局設(shè)計以最大限度地減少環(huán)路電感。如果芯片安裝在傳統(tǒng)封裝中，SiC的優(yōu)勢并沒有得到體現(xiàn)，傳統(tǒng)封裝設(shè)計用于以較低頻率進(jìn)行開關(guān)，對上升和下降時間的要求更為寬松。由于波傳播效應(yīng)，非對稱設(shè)計在較高頻率下表現(xiàn)不佳。

如果要實現(xiàn)該技術(shù)的優(yōu)勢，則必須使用SiC專用封裝和柵極驅(qū)動器，這使得SiC成為新系統(tǒng)設(shè)計的不錯選擇。