碳化硅推动电源应用创新

在过去的四年里，由于采用了更好的设计和制造工艺，以及高质量材料的可用性，基于硅技术的功率器件取得了重大进展。然而，大多数商用功率器件现在正接近硅提供的理论性能极限，特别是在它们阻断高压的能力、在导通状态下提供低电压降以及在非常高的频率下开关的能力方面。多年来，许多专门从事电子设计领域的研究人员和公司致力于寻找硅的替代解决方案，以满足最新一代电源应用对效率、可靠性和低成本的要求。碳化硅 (SiC)是一种宽带隙 (WBG) 材料，可提供远远超过硅在电源应用中提供的性能所需的卓越电气和物理特性。如图 1 所示，更高的能带隙使 WBG 材料在功率转换应用中优于硅。基于 WBG 的器件（例如碳化硅）与等效的基于硅的器件相比，尺寸更小，可承受更高的工作温度。

图 1：不同材料之间的能带隙比较（来源：贸泽）

GeneSiC Semiconductor 是一家由 Ranbir Singh 博士创立并担任董事长的公司，几年前开始开发 SiC 功率器件技术，成为该领域的先驱和世界领先者，拥有 26 项美国专利。GeneSiC 提供的 SiC 器件技术在众多电力应用中实现高效率方面发挥着关键作用，例如汽车、智能电网、工业、航空航天和国防、石油和天然气、可再生能源、医疗和运输部门。

“GeneSiC 成立于 2004 年，很快就获得了第一批关于碳化硅器件的专利。尽管我们的很多资金实际上来自美国政府用于下一代创新 SiC 技术开发，但我们不希望仅仅被视为小众参与者。我们是一个非常专注于技术的团队，希望为我们的客户提供一流的性能和可靠性、创新技术、最高质量、大批量周转的具有竞争力的价格和较短的交货时间。我们提供包含 100 多种碳化硅产品的全面产品组合，并提供强大的产品和客户支持。”Ranbir Singh 博士说。

碳化硅的好处

作为宽带隙半导体，碳化硅表现出比硅更大的带隙能量（3.2eV，大约是硅的三倍，等于1.1eV）。由于需要更多的能量来激发半导体导电带中的价电子，因此可以实现更高的击穿电压、更高的效率和更好的高温热稳定性。SiC MOSFET 的主要优点是漏源极导通电阻 (R DS(ON))，在相同击穿电压下比硅器件低300-400倍。因此，基于 SiC 的功率器件能够提供更高的功率水平，从而最大限度地减少功率损耗、提高效率并减少组件占用空间。基于 SiC 的器件具有高电热导率和极高的开关速度。低输出电容和低 R DS(ON)使 SiC 器件适用于开关设计，例如电源、三相逆变器、放大器和电压转换器（AC-DC 和 DC-DC）。使用 SiC 器件还可以显着节省成本并减小许多开关应用中使用的磁性元件（变压器、电感器、电感器）的尺寸。

热导率是一个额外的关键特性，它表明提取半导体器件功率损耗产生的热量是多么容易，防止器件的工作温度危险地上升。对于热导率低的半导体器件，如硅，更难以保持较低的工作温度。为此，引入了一种特定的操作模式，称为降额，通过该模式引入性能的部分降级，以免在高温下损害组件。相反，高热导率确保设备可以充分冷却，而不会导致性能下降。碳化硅能够在至少 200°C 的温度下工作，这比硅 MOS 器件的典型结温高 50°C。对于许多 SiC 器件，该温度可高达 400°C 或更高。这种特性使 SiC 功率器件即使在高温下也能高效运行，避免性能降级并减少平均故障时间 (MTTF)，同时提高质量和可靠性。

“在热管理方面，我想说目前我们的产品都是采用非常先进的热管理封装技术制造的。例如，我们所有的产品，除了 DO-214 (SMD) 封装，都是用银烧结制成的。”Ranbir Singh 博士说。

Silver Sintering 是一种芯片连接和键合技术，可提供无空隙且牢固的键合，并具有出色的导热性和导电性。银烧结能够将电子器件的结温 (Tj) 降低至 100℃。

图 2 显示了 N 沟道增强型 GeneSiC 碳化硅 MOSFET。该器件具有 V DS =1.2kV、R DS(ON) =20mΩ 和 I D =65A，适用于电力应用，例如：电动汽车快速充电、太阳能逆变器、智能电网、工业逆变器和电机驱动、交通和更多的。

图 2：GeneSiC 1.2kV SiC MOSFET

图 3：4 引线 TO-247/1.7kV 45mOhm 封装

碳化硅设计注意事项

即使硅能够满足目前电力电子领域的大部分需求，其化学物理特性也限制了其在高温和高工作电压下的性能。为确保在这些条件下器件正常运行，GeneSiC 提供基于 SiC 的器件，例如 MOSFET 晶体管、肖特基二极管（包括那些具有合并引脚肖特基或 MPS 设计的器件）、PiN 二极管和结型晶体管。过去几年，碳化硅器件的结构和制造工艺不断完善，解决了一些操作和可靠性方面的问题，包括与 SiC MOSFET 中栅极氧化物的可靠性相关的问题。

“关于栅极氧化物可靠性问题，GeneSiC 的 SiC MOSFET 设计为最大栅极氧化物场明显低于每厘米 4 兆伏。关于氧化物可靠性的第二个方面是栅极氧化物-SiC 界面的质量。用于 GeneSiC 的 SiC MOSFET 制造的栅极氧化工艺确保了极低的缺陷密度，无论是在栅极氧化物内还是在栅极氧化物-SiC 界面处，“Ranbir Singh 博士说。

与SiC MOSFET 晶体管相关的另一个重要方面与内置体二极管的稳定性有关。在传统的 H 桥功率转换电路中，MOSFET 体二极管在续流操作期间传导额定电流。由于体二极管的运行，来自几家领先器件供应商的 SiC MOSFET 导致器件特性显着下降。

“所以，这个（体二极管稳定性）方面更多地与 SiC 材料、起始 SiC 衬底晶片中的某些缺陷以及如何生长碳化硅外延层有关；您的层的设计方式以及您使用的生长技术类型决定了体二极管的稳定性。”Ranbir Singh 博士说。

有时，很容易将组件的可靠性与其稳健性混淆。后者是一个参数，用于证明设备可以承受的电气滥用程度，即使是很短的时间。有些操作可以很好地执行，例如，使用肖特基二极管，而其他操作则不能，因为它们无法承受雪崩击穿条件下的操作。.

“在 GeneSiC，我们确保我们所有的设备都保证达到业内最高的稳健性水平。我们的 SiC MPS TM整流器和 MOSFET 经过 100% 雪崩测试。我们的 SiC MOSFET 具有最长的短路时间，可实现最低的 RDS ON，因此可以在这里找到一个很好的折衷方案。”Ranbir Singh 博士说。

审核编辑 黄昊宇