当前碳化硅功率器件回顾！

硅功率器件已经达到了它们的材料极限，已经达到了前所未有的成熟。SiC功率器件正在快速成熟，为汽车行业提供快速开关、高效的器件性能。然而，它们距离充分发挥其潜力还有很长的路要走。

映射当今的SiC功率器件

图中的单极性极限图上绘制了当今最先进的SiC MOSFET，这些器件来自许多设备制造商，电压等级为650、1200和1700，以及各种电流/电阻等级。它们的特定导通电阻（额定电阻×芯片尺寸）与其额定电压的关系图。本文提供了一系列硅MOSFET以及两个IGBT的相同数据，这些数据使用其差分导通电阻（因此忽略其导通电压）以供参考。

回到主题，在硅器件领域的背景下，绘制的SiC MOSFET范围告诉我们很多关于当今技术的信息。在这里，我们从绘制的SiC器件系列中介绍一些关键要点：

电阻率最低的SiC器件来自一家制造商，其产品始终具有最低的比电阻。

结果广泛。查看图中的SiC器件，每个电压等级内都存在明显的色散。然而，将电阻率最低的器件结合在一起的首先是它们具有最高的额定电流。因此，它们是具有大有效面积的大芯片，因此较小比例的芯片被交给非载流区域，例如栅极焊盘和端接区域。

其次，电阻率最低的器件来自一家制造商，其产品始终具有最低的比电阻和最小的芯片尺寸。事实上，制造商之间存在显着差异，部分有利于那些最近推出新产品的制造商。然而，有一个明显的趋势表明，一些制造商过度设计他们的产品，通过设计它们来支持比其额定值高得多的电压来有效地降低他们的设备。这种降额是本盘点系列第3部分的另一个主题。

2.在650V时，碳化硅是好的...与图中的Si器件不同，当今年轻的SiC MOSFET距离其单极极限还有很长的路要走。在650V时尤其如此;事实上，电阻足够高，以至于今天的650V沟槽门控场截止IGBT变体的传导损耗略低于SiC MOSFET。尽管如此，SiC电阻率甚至与双极性电导率调制Si IGBT在同一范围内，这意味着当我们以任何实际频率切换两个器件时，传导损耗的相对较小的增加被IGBT的大开关损耗所掩盖。这就是特斯拉在650V下演示的更快开关，更高效率的解决方案成为可能，据报道，特斯拉2018年的Model 3逆变器几乎是日产Leaf重量的40%，尽管功率是其2倍以上。效率的提高将允许减少车辆所需的昂贵和重型电池的数量，从而偿还相对较小的组件成本。

3.但在1200V时，SiC非常出色。尽管SiC已经在650V范围内证明了自己，但1200V器件更接近材料的“最佳点”。在1200V时，SiC MOSFET的单位面积电阻更接近SiC单极性极限，比其高14-33倍，而在650V时为35-90倍。原因是在650V时，电阻主要由来自沟道和基板的固定电阻主导，而不仅仅是计算单极性限值的漂移区域。

当650和1200V SiC MOSFET与相同电压和电流额定值的Si IGBT进行基准测试时，其优势得到了证实。在下表中，650 V SiC MOSFET取代650V Si IGBT的性能已经令人印象深刻，功率密度提高了两倍，开关损耗降低了6.5倍。然而，这些值在较高电压下会上升，1200 V SiC器件取代1200V Si IGBT，功率密度提高16倍，开关损耗降低11倍。还显示了两个设备的相对尺寸差异。

碳化硅是800V电动汽车的关键推动因素！

电动汽车市场将400V系统标准翻倍至800V的趋势有很多好处。这些好处源于等式功率=电压×电流的简单概念，即在提供固定功率时，电压加倍可使电流吞吐量减半。由于电池发热减少，这导致充电速度更快;由于铜绕组的减少，电机更小、更轻;以及更轻的电缆，无论必须传输此电流的任何地方。这对整体系统效率、延长续航里程或减轻电池重量以及降低系统成本有很大的影响。

从对当今SiC器件的分析中可以清楚地看出，该半导体在最大限度地发挥800V设计的潜力方面发挥着关键作用。在1200V时，SiC开始炫耀，除了可靠性问题，设计遗留和/或保守的应用领域作为坚持使用Si IGBT的原因。因此，对于最近的保时捷Taycan来说，这是一个悬而未决的问题，尽管过渡到800 V，但Si IGBT解决方案胜出，而同时，900V Lucid Air选择了SiC MOSFET。

综上所述，硅技术已经非常成熟，MOSFET处于技术极限，IGBT技术高度成熟。相比之下，SiC还很年轻，但经过短短十年和大约3代器件，SiC MOSFET与Si IGBT相媲美。这些数据证明了我们在PGC咨询公司长期以来一直在宣扬的东西，虽然SiC无疑在650V下表现良好，但在1200V及以上时却越来越好。

在下一篇盘点文章中，我将讨论SiC能改善多少的问题。这将解决SiC器件与其单极性极限保持一定距离的事实，分解导致这种情况的电阻，并研究未来改进的裕量。

审核编辑：汤梓红