【導(dǎo)讀】眾所周知，硅（Si）材料及其基礎(chǔ)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(gòu)筑了遠(yuǎn)比沙土城堡更精密復(fù)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——相比硅材料，它可以實(shí)現(xiàn)更高功率等級的功率轉(zhuǎn)換、更快的開關(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?nèi)碌臄?shù)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(chǔ)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(gòu)筑了遠(yuǎn)比沙土城堡更精密復(fù)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——相比硅材料，它可以實(shí)現(xiàn)更高功率等級的功率轉(zhuǎn)換、更快的開關(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?nèi)碌臄?shù)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領(lǐng)域的主要技術(shù)構(gòu)件。長期以來，硅一直是功率電子應(yīng)用中的首選半導(dǎo)體材料。直到最近，由于SiC技術(shù)性能和可靠性的顯著提升，人們開始從硅轉(zhuǎn)向SiC器件。
SiC的性能優(yōu)勢已在電動車、白色家電、基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能/可再生能源、數(shù)據(jù)中心等多個電力電子市場產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。得益于更大的帶隙能量（即3.3eV，而硅為1.1eV——參見圖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)來開發(fā)基于各種半導(dǎo)體器件的功率電子模塊，如雙極結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。在接下來的章節(jié)中，我們將探討為何SiC正在成為面向未來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可以使用更輕薄的器件來支持更高的電壓。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(dǎo)率，有助于支持高電流密度應(yīng)用；
更低的能量損耗，有助于最大限度減少功率損耗；
更高的開關(guān)頻率，減小了大型外圍被動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更低的開關(guān)損耗，使得功率轉(zhuǎn)換器能夠在更高的開關(guān)頻率及速度下運(yùn)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(xiàn)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(yīng)用從硅轉(zhuǎn)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(yīng)用中有效減少或最小化功耗損失一直是非常重要的。與此類似，滿足極端條件下的熱設(shè)計要求也是非常重要的。SiC不但能夠滿足以上這些要求，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(shù)（FOM）是生產(chǎn)廠家的福音，基于這個特點(diǎn)，這些客戶可以設(shè)計出高效率的電力電子設(shè)備。此外，有效裸片面積相同的情況下，碳化硅器件（SiC）可以轉(zhuǎn)換的功率等級比基于硅（Si）的器件更高——換句話說，碳化硅器件（SiC）可以用更小的芯片尺寸實(shí)現(xiàn)相同的功率等級轉(zhuǎn)換。
此外，SiC具有較高的電熱導(dǎo)率和快速開關(guān)功能，以及較低的輸出電容與RDS(ON)。因?yàn)樘蓟瑁⊿iC）器件可以轉(zhuǎn)換更高等級的能量并且理論上具備更高的開關(guān)頻率，可以幫助制造商節(jié)省系統(tǒng)成本。原因何在？因?yàn)檫@些品質(zhì)因數(shù)（FOM）意味著那些被動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，而這些器件在開關(guān)電源設(shè)計中所有開關(guān)電源設(shè)計中都必不可少的；所有這些FOM意味著碳化硅器件（SiC）將在三相逆變器、數(shù)字電源和功率電子變換器（AC/DC和DC/DC）等應(yīng)用中大有作為。
效率是各個制造商當(dāng)下所追求的另一個FOM。鑒于全球都在推進(jìn)“綠色”能源倡議，在許多應(yīng)用中，效率也已成為一個關(guān)鍵的推動因素。下文中的圖1顯示了SiC相對于硅材料可實(shí)現(xiàn)更高的效率；這使其成為當(dāng)今許多下一代設(shè)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(dǎo)體技術(shù)是下一代高效功率電子器件的理想選擇（見圖2）。SiC從650V電壓開始便表現(xiàn)出出色的電壓阻斷能力，且在更高電壓下所帶來的優(yōu)勢更為顯著。下一代解決方案的一個關(guān)鍵舉措是“綠色（即高能效）”系統(tǒng)的構(gòu)建。SiC則可提供這種能力——其寬帶隙特性可實(shí)現(xiàn)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(dāng)于“更環(huán)保”的解決方案。
圖2，硅（Si）和碳化硅（SiC）參數(shù)對比表格
3. 結(jié)論
現(xiàn)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(shù)字世界，兩者在諸多應(yīng)用中均占有一席之地；然而，在很多解決方案中，SiC能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)秀的性能指標(biāo)。SiC技術(shù)能夠被應(yīng)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(qū)動范圍，在高頻DC/DC和AC/DC等應(yīng)用中采用SiC會帶來許多優(yōu)勢。此外，在電動車逆變器中使用SiC，更可獲得更低的導(dǎo)通損耗和強(qiáng)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(yīng)用中得到推廣，并開拓其它領(lǐng)域。同時，封裝設(shè)計的進(jìn)步、市場接受度的提高，以及市場空間的快速增長，都會進(jìn)一步助力SiC技術(shù)應(yīng)用于更多解決方案。
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