碳化硅 (SIC) 器件具有更高的電子遷移率、更低的損耗以及在更高溫度下工作的能力，因此在具有挑戰(zhàn)性的功率應(yīng)用中得到了廣泛接受。雖然在關(guān)鍵應(yīng)用中相對(duì)于硅的優(yōu)勢(shì)非常顯著，但還需要進(jìn)一步改進(jìn)，特別是在提高效率的同時(shí)減小尺寸和成本。

　　在汽車和可再生能源領(lǐng)域，有一種趨勢(shì)是通過提高電壓來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。然而，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須能夠免費(fèi)提供能夠在這些電壓下工作的 SiC 器件。

　　歐姆定律

　　為了提高效率而轉(zhuǎn)向更高電壓的基礎(chǔ)是物理學(xué)中最基本的定律——?dú)W姆定律。該定律告訴我們，損耗隨著電流的平方而增加，因此減少電流將有利于效率。歐姆定律還告訴我們，對(duì)于相同的功率，如果我們想讓電流減半，就必須將電壓加倍。

　　通過將電流減半，半導(dǎo)體和電纜中的傳導(dǎo)損耗導(dǎo)致的靜態(tài)損耗減少了四倍。這就是電網(wǎng)在極高電壓水平下運(yùn)行的原因。

　　雖然工業(yè)和汽車應(yīng)用轉(zhuǎn)向極高電壓似乎是顯而易見的，但由于支持此類電壓的組件的可用性，這是不切實(shí)際的。

　　功率器件開關(guān)

　　在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中，功率器件具有三種角色：阻斷、導(dǎo)通以及在前兩個(gè)角色之間切換。隨著電壓增加，阻塞方面面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)槠骷蠒?huì)出現(xiàn)高電壓。如果沒有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和材料，可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的故障。

　　因此，為了獲得更高電壓運(yùn)行的效率優(yōu)勢(shì)，需要在漏極和源極引腳 (V DS ) 上具有更高阻斷電壓的 SiC 器件。目前，許多設(shè)備都具有 650 V 能力，并且 1200 V 額定設(shè)備也變得越來越常見。然而，需要更高額定電壓的器件來應(yīng)對(duì)這些更高的電壓，并具有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)裕度以確保可靠性。

　　應(yīng)用轉(zhuǎn)向更高電壓運(yùn)行

　　更高的效率將有利于在更高功率水平下運(yùn)行的應(yīng)用。風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電正在轉(zhuǎn)向更高的電壓。對(duì)于太陽(yáng)能光伏 (PV) 系統(tǒng)，光伏電池板的直流母線電壓已從 600 V 增加到 1500 V，以提高效率。

　　更高的效率僅僅意味著可以立即使用或存儲(chǔ)更多的天然太陽(yáng)能或風(fēng)能以供以后使用。雖然這兩種形式的能源似乎都具有無(wú)限的容量，但它們都受到天氣變幻莫測(cè)的影響，從而限制了產(chǎn)量。

　　此外，如果系統(tǒng)效率更高，它將變得更小、更輕，這對(duì)于屋頂安裝來說是一個(gè)顯著的好處。

　　電動(dòng)汽車增長(zhǎng)低于預(yù)期的原因之一是充電時(shí)間和電池續(xù)航里程有限。汽車制造商正在用 800 V 版本替換 400 V 電池組來解決這個(gè)問題。充電速度由充電器的輸出功率決定，而輸出功率又受到系統(tǒng)電壓和輸出電流的限制。增加電流雖然可以縮短充電時(shí)間，但也會(huì)增加產(chǎn)生的熱量和系統(tǒng)能量損耗，從而降低充電器的效率并提高冷卻需求。或者，通過提高電壓并保持相似的電流水平來顯著增加電動(dòng)汽車充電器的功率輸出。這縮短了車輛的充電時(shí)間，而不會(huì)顯著提高熱考慮因素或降低系統(tǒng)效率。

　　電流的降低和效率的提高將減小車載充電器(OBC)的尺寸、成本和重量，因?yàn)榭梢允褂酶?xì)的電纜并且需要更少的散熱。由于 OBC 保留在車輛上，任何重量的減輕都會(huì)導(dǎo)致車輛行駛里程的增加。

　　展望未來，隨著電力推進(jìn)進(jìn)入商用車，電池將變得更大，并且需要有效地傳輸更多電力才能在合理的時(shí)間內(nèi)充電。作為指導(dǎo)，兆瓦充電系統(tǒng) (MCS) 的額定充電率為 3.75 MW - 3,000 A @ 1,250 VDC。

　　碳化硅擊穿電壓

　　開發(fā)具有更高擊穿電壓的垂直結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體功率器件的挑戰(zhàn)之一是RDS(ON)的增加導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗相應(yīng)增加。在耐壓較高的器件中，漂移層通常較厚，這會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增加。

　　因此，雖然提高工作電壓具有效率優(yōu)勢(shì)，但 MOSFET 內(nèi)傳導(dǎo)損耗的相應(yīng)增加將抵消部分或全部這些優(yōu)勢(shì)。

　　然而，與同等硅器件相比，基于 SiC 的功率器件可以提供更高的擊穿電壓和更薄的漂移層，從而降低正向壓降并減少傳導(dǎo)損耗。

　　現(xiàn)代高擊穿 SiC MOSFET

　　由于需要擊穿電壓超過工作電壓的 MOSFET 器件，Onsemi 專門針對(duì)此類應(yīng)用開發(fā)了一系列新型 SiC MOSFET。

　　Onsemi 的 NTBG028N170M1 是一款 N 溝道平面 EliteSiC MOSFET，適用于高壓快速開關(guān)應(yīng)用，V DSS 為 1700 V，擴(kuò)展 V GS 為 -15/+25 V。該器件連續(xù)支持高達(dá) 71 A 的漏極電流 (I D )脈沖時(shí)為 195 A。

　　該堅(jiān)固耐用的器件憑借僅為 28 mΩ(典型值)的優(yōu)異 R DS(ON) 值來降低傳導(dǎo)損耗，而僅為 222 nC 的超低柵極電荷 (Q G(tot) ) 可確保高頻操作期間的低損耗。該器件采用可表面貼裝的 D2PAK–7L 封裝，可減少運(yùn)行期間的寄生效應(yīng)。

　　Onsemi 提供一系列額定 1700 V 的 SiC 肖特基二極管來支持 MOSFET，可增強(qiáng) VRRM 與二極管峰值重復(fù)反向電壓之間的電壓裕度。在具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，即使在高溫下，1700 V 二極管也能提供較低的 VFM、最大擊穿電壓和出色的反向漏電流，使設(shè)計(jì)工程師能夠在高溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高壓運(yùn)行。

　　效率是最終目標(biāo)

　　在電力電子的每個(gè)領(lǐng)域，效率都是首要目標(biāo)。它不僅可以降低運(yùn)營(yíng)成本，還可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕、成本更低的設(shè)計(jì)。隨著高效半導(dǎo)體的普及，設(shè)計(jì)人員正在尋求系統(tǒng)的其他領(lǐng)域來提供更高的效率。

　　提高系統(tǒng)電壓可降低電流并顯著降低損耗。然而，到目前為止，這已被證明具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵黾覯OSFET 的擊穿電壓也會(huì)增加其傳導(dǎo)損耗。

浮思特科技深耕功率器件領(lǐng)域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。