关于碳化硅半导体的八大误区

随着科技的发展，碳化硅半导体已经逐渐成为电子产业中的重要角色。无论是在能源管理、汽车电子还是在高温、高功率的应用环境中，它都展现出了令人瞩目的性能。但正如每一样新兴技术，随之而来的总是一系列关于它的误区和谣言。这些误解不仅可能误导消费者，也会影响企业的决策和投资方向。

为此，我们特地为您汇总了关于碳化硅半导体的十大误区，希望能为大家提供一个更为清晰和准确的认识。无论你是此领域的研究者、从业者，还是对科技感兴趣的普通读者，希望本文都能为您带来一些新的启示：

误区一：SiC解决方案太贵

在早期，由于SiC半导体是相对较新的技术，并且生产工艺相对于传统的硅半导体更加复杂和成本更高，因此SiC解决方案的价格通常比硅基解决方案更高。这导致了一个普遍的观念，即SiC解决方案是昂贵的。业界有个经验法则是，在相同额定值下，SiC基器件的成本约为硅基器件的3倍。

系统级考虑：尽管单个SiC器件的成本可能高于相应的硅器件，但必须从整体系统的角度来考虑。例如，使用SiC器件可能会减少冷却和封装的需要，或者可以使用更小的电感和电容。这意味着总体系统成本可能更低。

性能与效率：SiC器件在许多应用中提供了更高的效率，这意味着在其整个使用寿命中，它们可能会节省更多的能源。因此，从长期运行成本的角度看，SiC可能提供更好的性价比。

生产规模与技术成熟度：随着SiC技术的发展和生产规模的扩大，其生产成本已经逐渐降低。这使得SiC解决方案在许多应用中成为一种经济有效的选择。

应用特点：在某些高压、高温或高频应用中，SiC提供了传统硅技术难以匹敌的性能。在这些应用中，即使SiC的初始成本较高，其所带来的性能优势也使其成为首选。

误区二：SiC半导体没有完善的生态系统

SiC半导体在其初期确实没有像成熟的硅半导体技术那样完整的配套解决方案和生态系统。由于是新兴技术，对于SiC的设计工具、测试设备、封装技术等都还处于发展阶段，这导致了人们对SiC半导体生态系统完整性的担忧。

就具体的SiC供应商来看，据Yole报道，意法半导体(ST)、Wolfspeed、安森美(Onsemi)、英飞凌科技(Infineon)和罗姆半导体(Rohm)等公司都已纷纷宣布自己的收入目标。尽管所选择的路线不同，但他们的商业模式——IDM(集成器件制造商)——具有明显的相似性。

过去几年，这些主要参与者重塑了SiC生态系统(图2)。Yole认为，有两个主要趋势在影响其供应链：晶圆制造和模块封装的垂直集成。在此背景下，汽车OEM等终端系统公司将能更快地采用SiC，并且在管理市场上多家晶圆供应商的供应上也能更灵活。

目前，市场上已有多种商用SiC器件及栅极驱动器可供选择，并具有多种封装形式，可满足多种应用的需求。随着这些供应商不断加大支持力度，包括应用工程团队、参考设计、应用笔记和仿真模型/工具，SiC技术及其生态系统将会不断完善。

误区三：SiC只能用来代替硅IGBT

根据氮化镓(GaN)和SiC的广泛宣传，有人认为，GaN主要用来替代硅MOSFET，而SiC则只能用来替代IGBT(图3)。实际上，SiC MOSFET也可以用来替代硅MOSFET。

这可以从两个重要指标来看：RDS(ON)·Qg品质因数(FOM)和反向恢复电荷(Qrr)。FOM=RDS(ON) ·Qg这个指标将导通损耗与栅极电荷联系起来——栅极电荷会在栅极驱动电路中产生与频率有关的动态损耗，但这些损耗只有在非常高的开关速率下才变得重要，因为SiC MOSFET的Qg非常低。这个指标可以很好地反映开关应用中MOSFET的效率。

Qrr是当MOSFET体二极管处于正向偏置时，该二极管的PN结所累积的电荷。在大多数应用中，电流在每个开关周期都会流过体二极管两次而导致电荷累积。之后的电荷释放，要么是在MOSFET内部，要么是以附加电流(Irr)的形式短暂地流过高侧MOSFET，而在系统中造成额外的损耗。

SiC MOSFET的这两个指标比Si MOSFET更优，因此也能在图腾柱功率因数校正(PFC)和同步升压等硬开关应用中对硅MOSFET形成很好的替代。

误区四：SiC的鲁棒性不如硅IGBT

在这里，"鲁棒性"是一个工程术语，通常用来描述一个系统或部件在面对不确定性、干扰或异常条件时的稳定性或可靠性。

事实并非如此。这可以从两个方面来看。一方面，与Si材料相比，SiC材料拥有更宽的禁带宽度，因此SiC MOSFET具有更好的抗雪崩能力。这是因为SiC器件的热生载流子浓度比硅基器件要小得多。

另一方面，虽然SiC器件由于其尺寸较小，因此其短路耐受时间要比IGBT短，但可以通过使用带短路保护的SiC栅极驱动器来确保系统的耐用性。

误区五：SiC不适合高频应用

可能是由于SiC常被用于低频大功率应用，例如10至20kHz的电动汽车牵引逆变器，因此有人就认为它不太适合高频应用，而认为GaN才是快速开关的理想之选。

然而，SiC技术一直在快速发展。最近，其裸片面积已显著减小，从而增强了其高频(100kHz以上)工作性能。因此，SiC器件可应用于100kHz的图腾柱PFC和200至300kHz的软开关LLC等应用。

沟槽和共源共栅等新兴SiC MOSFET技术，还可进一步提高高频应用的性能。

误区六：SiC只适合电动汽车

由于SiC在电动汽车牵引逆变器中取得了成功，所以有些人认为它只适合高端小众应用。然而，几乎所有应用领域都需要提高功率密度和工作效率，这也就意味着SiC可以在电动汽车车载充电器(OBC)、太阳能光伏(PV)模块等可再生能源以及云计算等广泛应用中发挥优势。

误区七：SiC面临电动汽车、光储等应用的电压升高问题

SiC半导体器件，特别是SiC MOSFET，具有高频、高效率和高温工作的优点。对于650V以下的应用，如AC-DC电源转换，SiC可以提供更高的效率和更小的体积。

电动汽车：随着技术进步和对更大续航里程的需求，电动汽车的电池电压正从400V增加到800V。更高的电压可以提供更大的续航里程，并允许使用更小的电流进行充电，从而减少导线损耗并提高充电效率。

太阳能光伏系统：为了提高转换效率和降低系统成本，太阳能光伏系统的输入电压也在增加，从600V增加到1,500V。

随着这些应用中电压的提高，需要半导体器件有更高的击穿电压。击穿电压是指半导体器件可以耐受的最大电压，超过这个电压可能会导致器件损坏。

为了满足市场对更高击穿电压的需求，许多半导体制造商都开始研发和推出适应更高电压的SiC MOSFET器件。同时，为了保持SiC的高频和高效率特点，这些新器件还进行了针对快速开关应用的优化。

误区八：SiC栅极驱动器设计复杂，必须使用负电压关断

由于其特有的材料特性，SiC MOSFET的驱动方式与传统的硅MOSFET有所不同。

栅极驱动器是一个用于控制MOSFET开关的电路。对于SiC MOSFET来说，为了确保其正确并可靠地关闭，很多初步的设计方法采用了负电压来驱动栅极，确保其完全关断。

这就导致了一个普遍的认知，即SiC MOSFET的驱动设计相对复杂，而且必须使用负电压来确保其关断。这是这个误区的来源。

然而，随着技术的发展和对SiC MOSFET特性的深入了解，已经出现了许多新的驱动方案和技术，它们并不一定需要负电压来驱动SiC MOSFET。通过适当的设计和选择合适的驱动器，可以避免使用负电压，同时确保SiC MOSFET的可靠性和性能。

因此，这一误区主要基于早期的经验和设计方法，但随着技术的进步，它已经不再完全适用。

编辑：黄飞