碳化硅功率器件优势增强功率转换系统！

影响下一代功率半导体器件发展和实施的三个主要因素：对持续改进功率转换系统效率的监管要求;市场需要更轻、更小、更具成本效益的系统，具有更集成的功能和新兴应用，如电动汽车（EV）和固态变压器（SST）。直到最近，硅一直是电力电子中使用的主要材料，尽管硅技术不断改进，但它确实存在某些局限性，在设计不断增长的基本电力系统要求时必须考虑到这些局限性。

设备制造商在过去十年中已经证明，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙（WBG）材料在下一代功率半导体器件的开发中具有多种优势。基于WBG的器件在性能、工作温度、功率处理效率和提供新功能的能力方面提供了显著的改进，这是硅基器件无法实现的。因此，WBG功率器件现在被认为是功率半导体器件的未来。

SiC器件的日益普及可以追溯到构建完整电源系统所需的所有组件的可用性，即SiC二极管、开关和模块。这种可用性的增加是供应链扩大的结果，越来越多的供应商可以提供更经济可行的定价。GaN功率器件商用的时间要短得多。由于这种不同的成熟状态，SiC和GaN器件已经发展到支持不同细分市场中独立但互补的功能。

SiC被用于电力系统，因为它已被证明比硅更有效。SiC MOSFET的主要优点是开关损耗非常低，可提高效率并实现更高频率的操作。

由于宽带隙讨论可能是一个冗长的话题，本文将主要关注SiC技术在功率转换系统中的优势。

碳化硅材料优势

表1所示的宽带隙材料特性解释了为什么基于SiC的功率器件的性能优于硅。SiC的击穿场强是硅的十倍，而且SiC器件可以构造成以更小的漂移区域承受相同的击穿。理论上，在相同的硅击穿电压下，与硅相比，SiC可以将漂移层的单位面积电阻降低到1/300。

与硅相比，SiC的介电击穿场强度是硅的十倍，带隙是其三倍，热导率是硅的三倍。p型和n型区域都是在半导体材料中形成器件结构所必需的，可以在SiC中形成。这些器件可以生产具有更薄的漂移层，并具有非常高的击穿电压（600V及以上），但相对于硅器件而言，电阻非常低。高压器件的电阻主要由漂移区域的宽度决定。与硅相比，在使用SiC材料相同的击穿电压下，漂移层每单位面积的电阻可以降低到1/300。这些特性使SiC成为最佳的功率器件材料，其性能远远超过硅器件。

第一个商用碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）于十多年前推出，并已设计用于许多电源系统，尤其是开关模式电源的功率因数校正（PFC）电路。技术成熟度、性能和由于产量和竞争的增加而大幅降低成本是SiC MOSFET在越来越多的应用中采用的主要原因。SiC SBD目前可提供600V-1700V的击穿电压额定值和1A-60A额定电流。因此，SiC器件倾向于与600V-900V范围内的硅MOSFET和1kV+范围内的IGBT竞争。

SiC MOSFET现在因其常关操作和电压控制器件优势而受到电源设计人员的更大需求。此外，与结栅场效应晶体管（JFET）和双极结型晶体管（BJT）相比，SiC MOSFET具有栅极驱动简单性。

高温优势

由于封装技术的限制以及系统中其他组件的相关较低工作温度，SiC功率器件的高温能力尚未得到充分利用。

目前可用的产品的额定温度仅为150°C至175°C，而使用特殊芯片键合技术的SiC功率模块可在250°C下工作。SiC的研发测试表明，最高可达650°C，而硅半导体的上限为300°C。

此外，SiC的导热性是硅的三倍。这些特性有助于降低冷却需求，使SiC元件的冷却更简单。这使得热系统可以更小、更轻、成本更低。

改进电源开关的推动因素

理想的电源开关能够在导通状态下以零压降承载大电流，在关断状态下以零泄漏阻止高压，并且在从关断状态切换到导通状态时产生零能量损失，反之亦然。在硅基器件中，很难将这些理想但截然相反的特性结合起来，尤其是在高电压和电流下。为了解决这个问题，许多设计都采用了绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件。对于IGBT，高击穿电压下的低电阻是以开关性能为代价的，使用注入漂移区域的少数载流子来降低导通（导通）电阻。因此，当晶体管关闭时，这些载流子需要时间才能重新组合并从基极区域“耗散”，从而增加开关损耗和时间。

与IGBT相反，MOSFET是多数载波器件，因此它们没有“尾部”电流。因此，SiC MOSFET可以满足电源开关的所有三个要求——高击穿电压、低导通电阻和快速开关速度（图1）。例如，与硅IGBT和快速恢复二极管（FRD）相比，ROHM将SiC MOSFET和SiC SBD集成在一个封装中，关断损耗降低88%，导通损耗降低34%，开关频率在数百kHz范围内。关断的改善是由于MOSFET中没有尾部电流。导通的改善是由于SiC二极管的恢复损耗要低得多。

电源系统设计可以通过低开关损耗获得显著优势：

•产生的热量更少，冷却系统更简单、更便宜、更小和/或更轻，最终实现更高的功率密度。

•允许增加开关频率，以减小无源元件（电容器、电感器）的尺寸，从而降低系统成本、尺寸和重量。

•降低工作温度，使组件不会降额太多，从而允许使用更小、更便宜的组件。在系统层面，这意味着较低额定值的SiC系统可以取代较高额定值的硅系统。

碳化硅场效应管可靠性

可靠性是电力电子设计中最重要的考虑因素之一。因此，电力系统工程师的第一个问题是：“SiC是否与硅一样可靠？与整体可靠性相关的三个最重要的方面是栅极氧化层可靠性、栅极阈值电压Vt的稳定性以及体二极管反向传导的鲁棒性。

栅极氧化物的电气过应力是MOS器件的常见故障模式。因此，栅极氧化质量直接影响SiC MOSFET的可靠性。好消息是，制造商已经解决了在SiC衬底上开发高质量氧化物的问题，以最大限度地减少缺陷密度（界面和散装陷阱），而不会影响器件寿命或电气特性稳定性。

测量栅极氧化物MOS质量的标准测试是恒流应力时间相关介电击穿（CCS TDDB），如图所示。累积电荷QBD是栅氧化层的质量指标。15-20°C/cm2的值相当于硅MOSFET的值。

电源转换系统的新时代

尽管在过去十年中取得了许多重大的技术进步，并且供应链不断扩大，但SiC器件的宽带隙技术行业要充分发挥其潜力还有很长的路要走。下一代SiC功率器件取得了长足的进步，它们处于有利地位，可以实现电动汽车和固态变压器等大批量功率转换应用的新时代。SiC也可以成为未来技术发展的积极催化剂，在继续刺激市场需求的同时增强应用能力。

　　审核编辑：汤梓红