第4代SiC FET的突破性性能

几十年来，基于硅的半导体开关一直主导着功率转换领域，IGBT 和 Si MOSFET 提供了成熟、稳健的解决方案。然而，当宽带隙 (WBG) 器件于 2008 年开始商用，采用碳化硅 (SiC) JFET，然后在 2011 年推出 SiC MOSFET时，范式发生了变化。新技术承诺更高的效率和更快的开关，随之而来的好处是节能和更好的功率密度。然而，虽然制造商已经成功地克服了产量和性能问题，但 SiC 开关仍然不方便使用，因为 SiC JFET 是常开器件，而 SiC MOSFET 需要非常特殊的栅极驱动才能获得最大性能。

然而，UnitedSiC 率先采用了 SiC 开关的不同实现方式，将 SiC JFET 与低压 Si MOSFET 作为“共源共栅”组合在单个封装中，形成了他们所谓的“SiC FET”，结合了 WBG 的速度和效率技术与硅 MOSFET 的简单栅极驱动。

第 3 代做好了准备

SiC FET Gen 3 技术成为许多高增长市场的关键推动因素，例如电动汽车、充电器、IT 基础设施、电路保护和替代能源。随着 SiC 制造能力的提高，这些设备开始赶上硅等更传统的材料，因为这种新技术变得更容易获得和负担得起。

高功率系统特别展示了 SiC FETS 的优势，高端超结设计过渡到 650V SiC，具有 1200V 和 1700V SiC 部件，有效地取代了 IGBT，甚至是最好的 Si 超结 MOSFET。

第 3 代也出现了同类最低的 R DS(ON)，当时 UnitedSiC 发布了RDS(ON)在 650V 时 <7mohm 和 1200V时 9mohm 的器件。

市场需求推动进一步改进

电源转换市场对更高的功率密度和效率有着永无止境的需求，包括更低的静态和动态损耗以及更多的热和电气设计余量。在越来越广泛的硬开关和软开关应用中，这一切都不会影响可靠性或成本。SiC FET 已成为满足这些需求的理想解决方案，但与此同时，随着晶圆尺寸和产量的增加，这些器件在电池充电、太阳能等 400V/500V 总线应用的更大市场中也变得具有成本效益。逆变器和电动汽车逆变器市场。

作为回应，具有突破性性能水平的新型 750V 'Gen 4' SiC FET 已投放市场，并将加速 SiC FET 在汽车和工业充电、电信整流器、数据中心 PFC 和 DC-DC 转换以及可再生能源中的采用能源和储能应用。

与这些应用中的替代 650V SiC MOSFET 相比，UnitedSiC 的第一个第 4 代系列部件的 750V 额定值可显着提高运行裕度，但性能因数 (FOM) 有所提高。尽管额定电压更高，但通过晶圆减薄和单元密度最大化方面的先进技术，可以实现比竞争 SiC MOSFET 更好的 FOM，从而降低每单位面积的R DS(ON)。这种关键的 FOM 结合了静态损耗和每个晶圆芯片的经济性测量以及小尺寸以实现低器件电容，从而实现快速切换和低动态损耗。尽管芯片尺寸减小，但由于实现了低导通电阻、碳化硅的高导热性和先进的银烧结芯片连接的热性能，因此额定电流仍然很高。

第 4 代 SiC FET 如何达到标准

图 1 中比较了 UnitedSiC 750V、第 4 代 SiC FET、UJ4C0750018K3S/4S 型和其他可比较的 650V 额定 SiC MOSFET 竞争对手之间的特定导通电阻 R DS(ON) A。对于此处使用的 SiC JFET，在低温和高温下，FOM 的显着改进是显而易见的。

图 1：UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET 单位面积导通电阻与 650V 额定 SiC MOSFET 竞争对手的比较

还有其他一些值得比较的品质因数，例如 R DS(ON) E OSS，这在硬开关应用中尤为重要，其中输出电容 C OSS从高电压快速放电，导致高瞬态能量耗散 E OSS . 在制造过程中，器件输出电容可以降低，但通常以导通电阻为代价，因此 FOM 是一个有用的比较。图 2比较了与图 1 中相同的 UnitedSiC 18 毫欧器件使用 SiC MOSFET 替代品和第 4 代 SiC FET 的优势很明显，25°C 时 FOM 提高 50%，125°C 时 FOM 提高 40%。在“图腾柱 PFC”等硬开关应用或标准 2 电平逆变器中，体二极管中存储的电荷也很重要，并且在 SiC FET 中非常低，积分低电压 Si 的贡献很小MOSFET。虽然集成 JFET 中没有寄生体二极管，但有一条反向传导路径通过 JFET 通道和共同封装的 Si MOSFET 的体二极管。体二极管压降表现为来自硅 MOSFET 的 0.7V 拐点电压和 JFET 通道的欧姆压降之和，等于或小于 1.3V。相比之下，典型的 650V SiC MOSFET 体二极管可以在数百纳库仑存储电荷的情况下下降超过 3V。

图 2. UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET R DS(ON)、E OSS FOM 与 650V 额定 SiC MOSFET 竞争对手的比较

如图 3 所示，LLC 和 PSFB 转换器等软开关应用也受益于使用 SiC FET——虽然这些电路中的输出电容 C OSS(TR)不会快速放电，但它确实会在开关导通时引入延迟——充电时偏离边缘，这会限制最大可用频率。由于 WBG 器件开关的吸引力之一是在更高频率下运行以减小相关组件（尤其是磁性元件）的尺寸、成本和重量，因此第 4 代 SiC FET 的超低 C OSS(TR)是一个明显的优势。

图 3：UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET R DS(ON)、C OSS(tr) FOM 与 650V 额定 SiC MOSFET 竞争对手的比较

UnitedSiC 的第 4 代 SiC FET 保留了主要优势，即它们可以使用 0V-12V 栅极驱动（最大为 +/20V，由 ESD 保护二极管钳位）安全地从完全关闭驱动到饱和。5V 的阈值电压允许单极操作。器件短路电流由 JFET 通道控制，该通道具有很大程度上与温度无关的阈值。因此，短路能力与高于 12V 的栅极驱动电压无关，这种行为与 SiC MOSFET 和 IGBT 非常不同。米勒效应实际上不存在，避免了伪导通的可能性，并且提供的封装包括开尔文连接，以避免栅极驱动环路中包含源电感，否则可能将瞬态耦合到栅极驱动中。与早期的 SiC FET 世代一样，高最大栅极驱动电压允许将部件改装到现有电路中，以更改 IGBT、Si-MOSFET 和 SiC-MOSFET，而对栅极驱动布置进行很少或根本没有修改，从而立即提高性能。作为奖励，SiC FET 的总栅极电荷为几十纳库仑，因此即使在高频切换时，所需的栅极驱动功率也很小。此外，与前几代产品一样，第 4 代 SiC FET 具有强大的雪崩和短路额定值。

图 4的雷达图中总结了第 4 代 750V SiC FET 的优势并与竞争 SiC MOSFET 进行了比较。影响硬开关和软开关效率的参数在低温和高温下都显示出来，UnitedSiC 部件在各个方面都优于 SiC MOSFET，并且肯定优于成熟的 Si MOSFET 和 IGBT。这是通过标准分立封装中的部件实现的，使它们易于设计到新的和现有的设计中。

图 4. UnitedSiC 750V SiC FET 在关键参数归一化后的比较优势（注意：值越低越好）

UnitedSiC 的第 3 代 SiC FET 实现的出色效率提升促进了该技术的广泛采用，现在第 4 代通过先进的制造和封装技术实现了全新的性能水平。与额定电压为 750V 的部件相比，设计人员现在比通常用于中低功率总线应用中的传统 650V 额定 Si 和 SiC MOSFET 具有额外的裕量。凭借在所有领域都表现出色的品质因数和方便、耐热增强的封装，第 4 代将在所有功率转换和存储应用中实现充电器、整流器、PFC 级和 DC-DC 转换的效率和功率密度的新标准。

审核编辑：郭婷