SiC元器件如何改变电子半导体业界的面貌

第三代碳化硅半导体器件在越来越多的应用，提供了卓越的性能和实用的优势。但是，随着电动汽车（EV），可再生能源和5G等行业的创新步伐迅速提高，以满足消费者和行业的需求，工程师们日益寻求新的解决方案，并且对电源开关技术的要求也越来越高。


本文将探讨当前领先的SiC元器件如何改变了半导体行业的面貌，以及哪些部门将成为未来发展的驱动力。


SiC元器件简介：
碳化硅成分，碳和硅分别是银河系中第四大和第八大元素。尽管如此，它很少自然出现在地球上，而在陨石和一些岩石沉积物中只发现了微小的痕迹。但是它可以很容易地合成生产，并且已经用作磨料，金刚砂超过一个世纪了。即使在电子产品中，它也被用作早期无线电中的检测器，并且在1907年用SiC晶体产生了第一个LED效果。


在电力电子领域，我们现在知道SiC是一种宽带隙（WBG）半导体，它彻底改变了功率转换性能，产生了高频之前无法达到的效率数据，并且具有较小的相关无源元件（尤其是磁性元件）的连锁反应优势，因此节省成本，重量和尺寸。


SiC FET共源共栅领导WBG封装：
如今，作为第三代产品的SiC FET，作为Si-MOSFET和SiC JFET的级联排列，处于WBG技术的领先地位。对于具有裸片面积的标准化导通电阻RDSON * A和具有关断能量RDSON * EOSS的标准化导通电阻，它们具有最佳的品质因数， 是低传导和开关损耗的关键指标。


绝对而言，SiC FET在650V器件上的导通电阻小于7毫欧，在1200V额定值下的导通电阻小于10毫欧，同时与Si定价相当。UnitedSiC在SOT-227格式中展示的2毫欧，1200V性能使模块封装中的并联零件性能更好（图1）。


采用SOT-227封装的六个SiC FET

SiC元器件如何改变半导体业界的面貌

                        （图1）
（图1）图示：采用1200V 2毫欧额定SOT-227封装的六个SiC FET
SiC FET的主要应用是简便易行的栅极驱动器和流行的TO-247封装，可替代Si-MOSFET和IGBT。现有应用，尤其是IGBT，可能具有较低的开关频率，但是新设计可以利用新提供的DFN8x8封装中SiC FET的高频和边沿速率功能。这大大降低了电感，使其非常适合硬开关和软开关应用，例如LLC和相移全桥转换器。在这方面，通过SiC FET通道进行的固有反向传导可作为低损耗的快速恢复体二极管。


如今我们在哪里找到SiC FET：
作为IGBT和Si-MOSFET的直接替代品，SiC FET用于升级电机驱动器，UPS逆变器，焊机，大功率AC-DC和DC-DC转换器等。在电机驱动应用中，无需更改开关频率即可立即提高效率，同时减少通道中以及栅极驱动电路中的静态和动态损耗，这可以在IGBT和较大的Si-MOSFET中消耗大量功率。通常，可以通过简单的调整来调整栅极驱动组件，以“控制” SiC FET的开关速度，还可以考虑其他好处，例如减小缓冲器的尺寸，甚至删除换向二极管，这在IGBT驱动中是必需的，但可能有效地由SiC FET体二极管效应代替。在EV电机驱动逆变器应用中，需要提高效率，与IGBT解决方案相比，如果提高频率，则EV电机可以更高效，更平稳地运行。在工业和汽车驱动器中，效率的提高分别满足了对更小尺寸和更长范围的迫切需求。


使用UnitedSiC的示例 1200V SiC FET的是用于公司AC推进的200kW驱动逆变器。使用TO-247-4L封装，在7.34kHz下具有700V的DC总线时，可获得99.98％的峰值效率，仅损失40W。当荷兰屡获殊荣的“ Solar Team Twente”将SiC FET用作电机驱动器时，效率也是主要目标，参加2019年的“普利司通世界太阳能挑战赛”，在设定范围内的太阳能汽车中实现了1766km和89.7km / hr的速度时间窗口。


车载和静态EV电池充电器也使用SiC FET来发挥优势。在这里，低损耗，高频运行允许在输出滤波中使用更小的磁场，从而节省了重量，尺寸和成本，再次有助于提高OBC的EV范围。使用SiC FET在100kW +级别，400V或800V直流输出下运行的路边快速充电器也能看到好处，与IGBT相比，可以节省效率。分立的SiC FET器件（必要时并联）通常是实用且成本较低的，可替代昂贵的IGBT模块。总体而言，可以节省成本和对环境的浪费。


所有功率转换领域的新设计，包括大功率AC-DC和DC-DC转换器，都越来越多地使用SiC FET。采用全新的设计，可以充分利用设备的潜力。图腾柱功率因数校正，再加上LLC或具有同步整流的相移全桥谐振谐振级，全部使用高频开关的SiC FET提供非常高的效率。这样一来，就可以在冷却硬件，用于过滤和能量存储的磁性元件，电容器，缓冲器，外壳等方面节省大量费用，所有这些都在降低总系统成本的同时减少了碳足迹。


SiC FET的未来又会如何？

SiC元器件如何改变半导体业界的面貌

                       （图2）
SiC FETS的性能令人印象深刻，但设计师在压力下既希望节省能源和成本，又要增加功能，但他们总是希望得到更多。5G基础设施，电动汽车/混合动力汽车，可再生能源发电和数据中心等市场正在迅速扩大，在所有情况下，下一代SiC FET技术都可以发挥更高的性能。许多设备参数都有改进的路线图，有些需要权衡取舍。（图2）显示了未来情况下某些和潜在比例增益的行进方向。从理论上讲，所有这些收益都是可以实现的，并且随着发展的不断发展，有望出现。改善参数并不全都与减少损耗有关，尽管这很重要。耐用性也将得到提高，以提供更好的短路承受能力，更高的击穿电压和更低的封装热阻，以便于冷却和提高可靠性。封装和SiC FET单元设计的改进范围已广为人知，这将使RDSON和管芯面积得到预期的减小。令人高兴的是，这还减少了芯片电容，从而减少了动态损耗。


标题SiC FET特性：
（图2）：标题SiC FET特性及其成比例的变化和演变方向。今天是蓝色，将来是橙色
SiC中JFET的应用也在扩展。它们具有固态断路器和限流器的独特优势，而它们的常开特性实际上是一个优势。SiC技术允许对高峰值结温具有极高的容忍度，并具有良好的饱和电流和快速开关功能，从而具有较低的导通电阻。作为断路器，SiC JFET的开关速度比传统机械类型快数千倍，插入损耗低。


带有SiC JFET的电子负载等电路甚至可以改善线性工作；与Si-MOSFET相比，SiC部件不会受到单元结构内“电流拥挤”的影响，因为各个单元的栅极阈值电压对温度不敏感。另一方面，Si-MOSFET对VGTH具有很强的负温度系数，这会导致局部热点和热失控。

封装也将发展：
随着SiC FETS的潜在应用范围扩大，封装选项也将扩展。目前，三引线和四引线形式的TO-247封装可直接替代许多当前的IGBT和Si-MOSFET，但也可提供TO220-3L器件。在表面贴装型中，D2PAK-3L和-7L很流行，UnitedSiC的薄型DFN8x8具有低封装电感，非常适合高频工作。将会有更多的SMD选项可供选择，并且银烧结将越来越多地用于芯片附着，以改善热性能。使用SiC FET管芯的模块将使用堆叠的“ Supercascode”排列在额定电压为6000V或更高的版本中变得常见。这些将在MV-XFC快速充电器，牵引，可再生能源发电，固态变压器和HVDC中找到应用。