碳化硅和硅的优势对比

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，两种材料的特性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。

在相同额定电压下，碳化硅二极管（SiC）比硅（Si）占用的空间更小

碳化硅具有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，碳化硅芯片（SiC）可以小于其硅（Si）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。这与碳化硅更高的电子饱和速度相结合，可实现比硅更快的开关速度和更低的损耗。

碳化硅二极管表现出更好的热性能

碳化硅（SiC）的导热性比硅（Si）好近3.5倍，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碳化硅二极管（SiC）能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。

碳化硅二极管（SiC）的反向恢复损耗幅度较低，可大大提高功率转换器效率

碳化硅二极管（SiC）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，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。

碳化硅二极管（SiC）在反向偏置下，会因自身电容放电而表现出反向电流尖峰，但比P-N结二极管低一个数量级，这意味着不仅二极管本身并且在相应的开关晶体管中消耗的功率更少。

碳化硅二极管（SiC）的正向压降和反向漏电流与硅（Si）相匹配

碳化硅二极管（SiC）的最大正向压降可与最好的超快硅（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，高压碳化硅二极管（SiC）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硅二极管（Si）。

由于没有反向电荷恢复效应，碳化硅二极管和超快硅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，都会被碳化硅动态损耗的改善所抵消。

碳化硅二极管（SiC）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（Si）的恢复电流和时间，随温度变化而变化很大，这使得电路优化变得困难。但碳化硅（SiC）不存在这种变化。

在某些电路中，如“硬开关”功率因数校正极，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400V DC母线电压），碳化硅二极管（SiC）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。

碳化硅二极管（SiC）可以并联，没有热失控的危险

与硅（Si）相比，碳化硅二极管（SiC）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，硅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。

碳化硅二极管（SiC）具有比硅（Si）更好的电磁兼容性（EMI）性能

碳化硅二极管（SiC）软开关行为的另一个好处是，显著降低了EMI。

当硅二极管（Si）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，将使其在较高频率下效率较低。

考虑缓冲器可用于快速恢复硅二极管（Si），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，这降低了系统效率。

碳化硅二极管（SiC）的正向恢复功率损耗低于硅（Si）

正向恢复是硅二极管（Si）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，碳化硅二极管（SiC）中没有这种效应，这意味着正向恢复损失将不是问题。

由此可见，碳化硅（SiC）应用于太阳能逆变电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频电焊、轨道交通、工业控制特种电源、国防军工等众多领域，而硅（Si）却不一定能做得到同样优异的性能。

同时，由于碳化硅（SiC）其具有高速开关和低导通电阻的特性，即使在高温条件下也能体现优异的电气特性，能大幅降低开关损耗，使元器件更小型化及轻量化，效能更高效，从而提高系统整体可靠性。这将使电动汽车能够在续航里程上提升10%，整车重量降低5%左右，并实现充电状态下仍能于高温环境下安全、稳定地运行，从而进一步改变了我们的生活。

审核编辑：汤梓红