SiC性能在实际应用中已经超过GaN

作者：United Silicon Carbide公司新产品导入经理Zhongda Li

宽带隙器件的承诺

诸如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙（WBG）器件是当前的“热门话题”，这些器件承诺可以把从通用无线充电到功率转换器的解决方案缩小到非常微小的尺寸。然而，这些都是从理论计算的性能表现，实际上并非如此。

我们这里先回顾一下，简单介绍什么是宽带隙器件。半导体中具有“束缚”的电子，分别占据原子核周围价带和导带的不同能级。电子可以跃迁到导带并且可用于电流流动，但是产生这种跃迁需要能量激发。在宽带隙器件中，这种能量要求比硅器件要大得多。例如，与1.1eV的硅（Si）相比，SiC需要3.2电子伏特（eV）。与相同规模的硅器件相比，将宽带隙器件中的电子激发到导带中需要更高的能量，这可以转换为更高的击穿电压性能。出于同样的原因，碳化硅在失效之前可耐受更高的温度（热能），而且它在导热性方面比硅器件好约3.5倍。实际上，这些特性能够使宽带隙器件在高电压和高功率水平下进行高温运行。

碳化硅最初实现的器件是简单的二极管，但随着材料技术的进步，现在已经可以制造结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）甚至双极型晶体管。图1所示为一个具有垂直“沟槽”结构的SiC JFET单元，与具有横向结构的GaN HEMT单元相比，SiC JFET单元具有非常低的导通电阻。

图1：SiC和GaN JFET单元的典型结构。

尽管器件通常在零栅极电压下也处于“导通”状态，但与JFET共封装的Si MOSFET“共源共栅”排列形成了一个混合器件，其栅极驱动电压与Si MOSFET兼容，但仍保留了宽带隙器件的优势（图2）。

图2：Si MOSFET 和SiC JFET的“共源共栅”排列。

SiC与GaN的比较

由于成本、良率和可靠性等方面的原因，GaN器件比碳化硅面市要晚，而且市场采纳的速度也慢。从理论上讲，GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC或Si具有更高的开关速度，但GaN导热率低于Si，其功率密度有限。目前碳化硅器件通常的额定电压值在650V至1.2kV左右，甚至更高，而氮化镓则局限在650V左右。在650V同等电压条件下，碳化硅器件的成本更低，成熟度更高。氮化镓供应商寄希望于数据中心、电动汽车/混合动力汽车和光伏等较低电压/功率市场，预期能够实现更低的成本。然而，SiC也可以应用在这些市场领域，尤其是在双向DC-DC转换器和“图腾柱功率因数校正（Totem Pole PFC）”（见下文）等应用。

碳化硅的供应链已经非常成熟，甚至可以从高服务分销商（high-service distributor）的目录中获得产品，而氮化镓器件则还没有成为主流产品。来自IHS ［1］的数据显示，在2025年前后，两种器件的市场份额仍将保持类似目前的这种态势，宽带隙器件的市场总量将达到35亿美元，GaN只占其中的5亿美元左右。

即使氮化镓额定电压提高，由于碳化硅能够像电感负载一样承受电压雪崩条件，因而SiC在工业系统中显现很大优势。制造商已有广泛的数据证明碳化硅在应对过电压应力方面具备高可靠性，而氮化镓则仅仅规定不能超过最高电压。

两种器件之间更明显的区别在于可用的封装。碳化硅器件通常采用TO-247和T0-220封装，使其可以在现有设计中“替代”MOSFET，具有“即换即用”的优势。然而，氮化镓器件制造商已经认识到，塑料封装具有其内在的速度受限引线电感，这将阻碍器件实现其最佳潜在性能。因此，他们大多选择表面贴装、单源（single-source）、芯片级封装，这就使氮化镓器件限制于新的设计。在这些新的系统中，系统设计可以与GaN器件特性相匹配，采用更小的被动元件，特别是磁性元件和电容器。

具有讽刺意味的是，设计人员需要满足EMI标准和保持dV/dt可控等许多实际限制，这些常常迫使他们采用栅极电阻以减慢开关速度。例如，对于SiC和GaN，100V / ns的dV/dt很容易实现，但是从i = C.dV / dt可以得知，针对大小仅为100pF的杂散电容就可产生10A的电流尖峰。类似，高di / dt值也会在连接电感上产生电压尖峰。

发展现状

共源共栅碳化硅器件通常可具备650V和1200V的额定电压，电流高达85A，导通电阻约为30mΩ，而如果串联JFET “超级共源共栅碳化硅” 器件，则可具有超过3.5kV的额定电压值。单个器件在70A电流和45mΩ导通电阻左右时可支持高达1700V的电压，这只是针对MOSFET，而不是JFET共源共栅。这表明与共源共栅不同，它们的内部体二极管相对较慢，并且在桥电路中等应用中需要时，经常必须串联一个昂贵的快速外部二极管。

氮化镓器件的额定电压为650V，电流值约为60A，导通电阻约为25mΩ，与许多碳化硅器件相当，理论上能够实现更快的开关速度。有趣的是，100V额定电压下的GaN器件导通电阻并不比传统的MOSFET有优势，因此只依靠它们的速度优势来抵消在此级别上大大高于商用MOSFET的成本。

展望未来，尽管IGBT和传统MOSFET的市场销售额将不断增长，但HIS的数据清楚地表明宽带隙器件在设计中会明显增加，目前的争论在于不同种类的宽带隙器件如何主导特定的细分市场。图3是功率器件依照功率和工作频率区分的可能发展态势，而GaN的发展状况仍然取决于其成本的降低。

图3：功率器件的未来可能发展态势。

应用

宽带隙器件的高温性能以及在快速开关和低损耗方面的潜力，使其成为性能至关重要的军事和工业应用的理想选择。桥式电路广泛应用于逆变器、焊接、D类音频放大器、电机驱动等高功率应用，其主要优点见于“无桥图腾柱PFC”电路（见图4）。以前基于硅器件的电路一直受限于所用的MOSFET中体二极管的缓慢性能，通常导致被迫使用“临界导通”模式，而这又反过来产生高峰值电流和高EMI。而如果使用共源共栅SiC JFET，可以采用“连续导通”模式，能够提高效率，减小电感器尺寸，并减轻EMI问题的影响。 一个1.5kW和230VAC的示例电路展现出令人印象深刻的99.4％高效率［2］。

图4：无桥图腾柱PFC电路中的SiC器件。

稳健性考虑

在高功率应用中，瞬态短路和过压等条件下的稳健性是最关心的问题，典型的共源共栅SiC JFET在这方面具备优良的特性，其中的高电流会引发“夹止（pinch-off）”效应，因而将电流限制在饱和水平。此外，由电流产生的热效应能够降低通道的电导率，从而可以实现自我限制的效果，所允许的高结温度在这里也很有优势。

对于过压情况，SiC JFET的栅极-漏极二极管导通，导致电流通过栅极驱动电路，并使JFET通道导通以钳位过压。同样，即使在相对较小的晶片尺寸下，SiC晶片所固有的高温额定值也可以针对显著的雪崩能级具备足够的安全裕度。

United Silicon Carbide Inc等制造商已经证明了碳化硅产品的稳健性，合格的部件在150°C时加雪崩偏压能够耐受1000小时的工作。作为一个附加的可信赖指标，所有器件在最终测试中都会经受100％的雪崩［3］。