碳化硅二极管与硅相比的八大优势

宽带隙半导体使许多以前使用硅（Si）无法实现的高功率应用成为可能。本博客比较了两种材料的特性，并说明了为什么碳化硅二极管（SiC）在多个指标上具有明显的优势。

1.在相同额定电压下，SiC二极管比Si占用的空间更小

SiC具有~10倍的介电击穿场强，对于给定的阻断电压，比硅更薄、更高的掺杂漂移层，使其电阻率更低，传导性能更好。这意味着在相同的额定电压下，SiC芯片可以小于其硅等效物。对于给定的电流和电压额定值，具有较小芯片尺寸的另一个好处是器件自电容更低，相关电荷更低。这与SiC更高的电子饱和速度相结合，可实现比Si更快的开关速度和更低的损耗。

2.碳化硅二极管表现出更好的热性能

SiC的导热性比Si好近3.5倍，使其每单位面积可以耗散更多的功率（热量）。虽然封装可能是连续运行期间的限制因素，但SiC提供的显著额外裕量为易受瞬态热事件影响的应用带来了更大的信心。此外，能够承受更高的温度意味着SiC二极管提供更坚固的性能和更好的可靠性，而不会有热失控的风险。

3.SiC二极管的反向恢复损耗幅度较低，可大大提高功率转换器效率

SiC二极管是单极肖特基金属半导体器件，其中传导仅通过多数载流子（电子）。这意味着当二极管正向偏置时，结耗尽层中几乎不会存储任何电荷。相比之下，P-N结硅二极管是双极性的，并存储了在向反向偏置过渡期间必须去除的电荷。这会导致反向电流尖峰，这意味着二极管（以及任何相关的开关晶体管和缓冲器）中的功率损耗更高，并且随着开关频率的增加，功率损耗会恶化。SiC二极管在反向偏置下会因自身电容放电而表现出反向电流尖峰，但这可能比P-N结二极管低一个数量级，这意味着不仅二极管本身而且在相应的开关晶体管中消耗的功率更少。

4.SiC二极管的正向压降和反向漏电流与Si相匹配

SiC二极管的最大正向压降可与最好的超快Si类型相媲美，并且正在不断改进（对于更高的阻断电压额定值，差异很小）。尽管是肖特基型，但在反向偏置下，高压SiC二极管的反向漏电流和由此产生的功耗相对较低，类似于相同电压和电流等级的超快Si二极管。由于没有反向电荷恢复效应，SiC二极管和超快Si二极管之间的正向压降和反向漏电流变化引起的任何微小的耗散差异都会被SiC动态损耗的改善所抵消。

5.SiC二极管恢复电流在整个温度范围内保持稳定，降低功率损耗

硅二极管的恢复电流和时间随温度变化而变化很大，使得电路优化变得困难，但值得注意的是，对于SiC，不存在这种变化。在某些电路中，如“硬开关”功率因数校正级，充当升压整流器的硅二极管可以控制损耗，从高电流下的正向偏置到典型单相交流输入的反向偏置（通常约为400 V DC母线电压）。SiC二极管的特性可以显著提高该应用的效率，并减轻硬件设计人员的设计考虑。

6.碳化硅二极管可以并联，没有热失控的危险

与Si相比，SiC二极管的另一个优点是它们可以并联连接，因为它们的正向压降具有正温度系数（在I-V曲线的应用相关区域），这有助于纠正任何电流不平衡。相比之下，当器件并联时，Si P-N二极管的负温度系数会导致热失控，需要大量降额或额外的有源电路来迫使器件分流。

7.碳化硅二极管具有比硅更好的电磁兼容性（EMI）性能

SiC二极管软开关行为的另一个好处是显著降低了EMI。当硅二极管用作开关整流器时，反向恢复电流（具有宽频谱）中潜在的瞬息尖峰会导致传导和辐射发射。这些会产生系统干扰（通过各种耦合路径），可能导致超过系统EMI限值。在这些频率下，由于这种杂散耦合，滤波可能很复杂。此外，设计用于衰减开关基波和低谐波频率（通常低于1 MHz）的EMI滤波器通常具有高自电容，使其在较高频率下效率较低。缓冲器可用于快速恢复硅二极管，以限制边沿速率和阻尼振荡，从而减少其他组件上的应力并降低EMI。然而，缓冲器必须耗散大量能量，从而降低系统效率。

8.碳化硅二极管的正向恢复功率损耗低于硅

正向恢复是硅二极管中经常被忽视的功率损耗来源。在从关断状态过渡到导通状态期间，二极管压降会暂时增加，产生过冲、振铃和与P-N结初始较低电导率相关的额外损耗。然而，SiC二极管中没有这种效应，这意味着正向恢复损失不是问题。

审核编辑：汤梓红