第三代碳化硅半導體器件在越來越多的應用中提供了卓越的性能和實際優勢。但隨著電動汽車 （EV）、可再生能源和 5G 等領域的創新步伐迅速加快，以滿足消費者和行業需求，工程師越來越多地尋找新的解決方案，并對電源開關技術提出更多要求。

本文將著眼于當前這一代領先的 SiC 器件如何改變半導體行業的面貌——以及哪些行業將成為未來發展的驅動力。

介紹

碳化硅成分，碳和硅分別是銀河系中第四大和第八大元素。盡管如此，它很少自然地出現在地球上，只有在隕石和一些巖石沉積物中發現的微小痕跡。不過，它可以很容易地合成生產，并且已被用作磨料，即金剛砂，一個多世紀以來。即使在電子產品中，它也被用作早期收音機中的探測器，并且在 1907 年使用 SiC 晶體產生了第一個 LED 效應。

在電力電子領域，我們現在知道 SiC 是一種寬帶隙 （WBG） 半導體，它徹底改變了功率轉換性能，在高頻下產生了以前無法實現的效率數據，并且具有更小的相關無源元件（尤其是磁性元件）的進一步連鎖優勢，以及隨之而來的成本、重量和尺寸的節省。

SiC FET 共源共柵引領 WBG 組

現在，作為 Si-MOSFET 和 SiC JFET 的共源共柵排列的第三代 SiC FET 處于 WBG 技術的前沿。它們在歸一化導通電阻與管芯面積 RDSON*A 和歸一化導通電阻與關斷能量 RDSON* EOSS（ 低導通和開關損耗的關鍵指標）方面具有最佳品質因數。

就絕對值而言，碳化硅 FET 在 650V 器件上的導通電阻小于 7 毫歐，在 1200V 額定電壓下的導通電阻小于 10 毫歐，同時與硅定價相匹配。通過 UnitedSiC 以 SOT-227 格式展示的 2 毫歐、1200V 性能，模塊封裝中的并聯部件可以做得更好。

SiC FET 的一個主要應用是作為 Si-MOSFET 和 IGBT 的直接替代品，這得益于簡單、兼容的柵極驅動和流行的 TO-247 封裝。現有應用，尤其是 IGBT 的開關頻率可能較低，但新設計可以利用新推出的 DFN8x8 封裝中 SiC FET 的高頻和邊緣速率能力。這大大降低了電感，使其非常適合硬開關和軟開關應用，例如 LLC 和移相全橋轉換器。通過 SiC FET 通道的固有反向傳導，充當低損耗快速恢復體二極管，在這方面也有幫助。

我們今天在哪里找到 SiC FET

作為 IGBT 和 Si-MOSFET 的直接替代品，SiC FET 用于升級電機驅動器、UPS 逆變器、焊機、大功率 AC-DC 和 DC-DC 轉換器等。在電機驅動應用中，可以在不改變開關頻率的情況下立即提高效率，減少通道和柵極驅動電路中的靜態和動態損耗，這可以在 IGBT 和更大的 Si-MOSFET 中消耗大量功率。通常，柵極驅動組件將通過簡單的更改進行調整，以“馴服” SiC FET 的開關速度，并且可以考慮其他好處，例如減小緩沖器的尺寸，甚至刪除整流二極管，這在 IGBT 驅動中是必需的，但可能是有效地被 SiC FET 體二極管效應所取代。在 EV 電機驅動逆變器應用中，需要提高效率，如果頻率提高，與 IGBT 解決方案相比，EV 電機可以更高效、更平穩地運行。在工業和汽車驅動中，效率的提高分別滿足了對更小尺寸和更長距離的迫切需求。

UnitedSiC 1200V SiC FET的使用示例是用于公司交流推進的 200kW 驅動逆變器。使用 TO-247-4L 封裝，在 7.34kHz 下具有 700V 的直流總線，實現了 99.98% 的峰值效率，表示損耗僅為 40W。當荷蘭屢獲殊榮的“Solar Team Twente”采用 SiC FET 用于電機驅動時，效率也是主要目標，在 2019 年的“普利司通世界太陽能挑戰賽”中，在一組太陽能汽車中實現了 1766 公里和 89.7 公里/小時的速度時間窗口。

車載和靜態 EV 電池充電器也使用 SiC FET。在這里，低損耗、高頻操作允許在輸出濾波中使用更小的磁性元件，從而節省重量、尺寸和成本，再次有助于 OBC 的 EV 范圍。使用 SiC FET 的路邊快速充電器在 100kW+ 水平和 400V 或 800V 直流輸出下運行，也看到了好處，與 IGBT 相比，效率更高。必要時并聯的分立 SiC FET 器件通常實用且成本較低，可替代昂貴的 IGBT 模塊。總的來說，可以節省成本和對環境的能源浪費。

包括大功率 AC-DC 和 DC-DC 轉換器在內的所有功率轉換領域的新設計都越來越多地使用 SiC FET。通過全新的設計，可以充分發揮設備的潛力；圖騰柱功率因數校正之后是 LLC 或帶同步整流的移相全橋諧振轉換級，所有這些都使用 SiC FET 以高頻開關提供非常高的效率。隨后在冷卻硬件、用于過濾和能量存儲的磁體、電容器、緩沖器、外殼等方面節省了成本，所有這些都降低了系統總成本，同時減少了碳足跡。

SiC FET 的未來

碳化硅場效應晶體管的性能令人印象深刻，但設計人員總是想要更多，在節省能源和成本同時增加功能的壓力下。快速擴張的市場是 5G 基礎設施、EV/HEV、可再生能源發電和數據中心，在所有情況下，下一代 SiC FET 技術都可以在實現更好的性能方面發揮作用。有許多設備參數都有改進路線圖，有些需要權衡；圖 2 顯示了未來情景中某些和潛在比例收益的行進方向。所有這些收益在理論上都是可以實現的，并且可以預期隨著發展的繼續而出現。改進參數并不都與減少損耗有關，盡管這很重要。堅固性也將隨著更好的短路耐受額定值、更高的擊穿電壓和更低的封裝熱阻而得到改善，以實現更輕松的冷卻和更好的可靠性。封裝和 SiC FET 單元設計有改進的余地，這將導致 RDSON 和芯片面積的預期減少。令人高興的是，這也降低了管芯電容，從而降低了動態損耗。

圖 2：標題 SiC FET 特性及其比例變化和發展方向。藍色是今天，橙色是潛在的未來場景

JFET 在 SiC 中的應用也在不斷擴大；它們作為固態斷路器和限流器具有明顯的優勢，它們的常開特性實際上是一個優勢。碳化硅技術允許對高峰值結溫具有極高的耐受性，并提供低導通電阻、明確定義的飽和電流和快速開關。作為斷路器，SiC JFET 的開關速度比傳統機械類型快數千倍，而且插入損耗低。

使用 SiC JFET 的電子負載等電路中的線性操作也得到改善；與 Si-MOSFET 相比，SiC 部件不會受到單元結構內“電流擁擠”的影響，因為單個單元柵極閾值電壓對溫度不敏感。另一方面，Si-MOSFET 對 VGTH 具有很強的負溫度系數，這會導致局部熱點和熱失控。

包裝也會發展

隨著 SiC FET 的潛在應用范圍擴大，封裝選項也將擴大。三引線和四引線形式的 TO-247 封裝目前可直接替代許多當前的 IGBT 和 Si-MOSFET，但也可提供 TO220-3L 器件。在表面貼裝樣式中，D2PAK-3L 和 -7L 很受歡迎，UnitedSiC 的薄型 DFN8x8 憑借其低封裝電感適合非常高頻的操作。更多的 SMD 選項將可用，并且銀燒結將越來越多地用于芯片連接以提高熱性能。使用 SiC FET 芯片的模塊將在額定電壓為 6000V 或更高的版本中變得普遍，使用堆疊的“超級共源共柵”排列。這些將普遍應用于 MV-XFC 快速充電器、牽引、可再生能源發電、固態變壓器和 HVDC。

審核編輯：郭婷