過去幾年，基于SIC 的功率半導體解決方案的使用量大幅增長，這是一場值得信賴的革命。該市場發展的驅動力包括節能、尺寸減小、系統集成和可靠性提高。

　　新的寬帶隙技術

　　SiC 器件完全有能力應對上述所有市場挑戰。正如我們在過去幾年中看到的每一代新硅功率器件一樣，新的寬帶隙技術不僅僅是向前邁出的一步，而且有能力成為真正的游戲規則改變者?；? SiC 的系統具有革命性的能力，其特點是性能的急劇變化，這對以創新和顛覆性解決方案為目標的設計師來說很有吸引力。IGBT或超結 MOSFET 與SiC 二極管相結合已成為太陽能、充電器或電源等各種應用的常態。這種組合——快速硅基開關與 SiC 二極管的匹配——通常被稱為“混合”解決方案。

圖1

　　某些應用領域總是會成為任何新技術的早期采用者。根據實際系統價值，當新技術的成本或性能足夠吸引人，從而轉向新的更先進的技術解決方案時，其他領域也會跟進。在高端電源中使用 SiC 二極管進行設計后，英飛凌已確定太陽能逆變器和升壓電路是最有可能從這項新技術中受益的領域。在此之后，不間斷電源 (UPS)和充電器等相關市場領域可能會跟進。預計電機驅動器、牽引和長期來看汽車應用等更傳統的領域將對大規模轉向新半導體技術非常感興趣。

　　過去，能源效率是太陽能轉換器成功的關鍵設計和營銷途徑。例如，用作升壓電路一部分的 SiC 二極管是實現 98% 或更高效率水平的最佳解決方案。

　　如今，太陽能設計的主要趨勢是提高功率密度，從而減少開關損耗、減小散熱器、提高工作頻率和減小磁性元件。SiC 二極管已日益成為現代太陽能串式逆變器解決方案以及微型逆變器應用中的主要元件。最近，英飛凌的 SiC 二極管技術已發展到第五代。SiC 二極管通過使用芯片縮小選項取得了進一步的進展，以實現更具吸引力的成本優勢。此外，還實施了新技術特性，與前幾代產品相比，這將為客戶帶來更多好處。一些示例包括更低的正向壓降，從而降低傳導損耗、提高浪涌電流能力以及增強擊穿行為。混合解決方案是當今全球太陽能逆變器的標準組成部分。英飛凌憑借超過 15 年的卓越業績和可靠的大批量生產，已成為該技術值得信賴的合作伙伴。

　　SiC 晶體管概念

　　英飛凌的集成制造概念能夠保證其可靠性和工藝穩定性與其硅產品處于同一水平，因為 SiC 芯片采用與大批量硅功率芯片相同的生產線。此外，這種集成概念還帶來了產量靈活性，這是處理快速發展的細分市場中所需的新興技術的關鍵因素。基于對系統的深入理解和對成本性能的明確關注，可以通過在硅和碳化硅基半導體之間形成優化組合來成功定義產品。這種從純半導體技術驅動的產品定義轉向為目標系統量身定制的解決方案的轉變被視為 SiC 未來成功的關鍵因素。根據二極管技術的經驗，未來幾年將推出類似的 SiC 晶體管。這是將 SiC 推向更接近主流技術水平的重要一步。如上所列，關鍵要素包括：

　　經過驗證的堅固性

　　極具吸引力的成本/性能，帶來可衡量的系統優勢

　　量產能力

　　產品定義由系統理解驅動

　　過去幾年，人們進行了深入研究，主要是為了了解 SiC 的系統優勢。使用單極 SiC 晶體管的轉換器的開關頻率增加可以大大減少磁性元件的體積和重量。根據英飛凌的分析，與目前的 Si 基參考解決方案相比，基于 SiC 器件的轉換器尺寸只有其三分之一，重量只有其 25%。

　　由于體積和重量顯著減小，系統成本可降低20%以上。

圖2

　　未來幾年，SiC 解決方案將擴展到其他應用領域，例如工業和牽引驅動。其原因是市場推動降低損耗，不僅是為了提高效率，也是為了通過減少散熱器要求實現更小的封裝。如圖 2 所示，SiC 已用于高端和小眾解決方案。當今的設計利用這些優勢來降低特定應用領域的系統成本。

　　未來，越來越多的應用將受益于通過實施 SiC 解決方案實現的整體損耗降低。在這方面，下一個重大進步將是引入 SiC 開關。

圖3

　　要理解 Si 和 SiC 解決方案之間的差異，必須明確碳化硅器件屬于所謂的寬帶隙半導體。圖 3 顯示了硅和碳化硅材料特性的比較?？焖賳螛O肖特基二極管以及基于場效應的 SiC 開關(MOSFET、JFET)的電壓范圍可以擴展到 1000 V 以上。這是由于 SiC 材料的固有特性而實現的：

　　高壓肖特基二極管的漏電流較低，這是因為金屬半導體勢壘比硅肖特基二極管高兩倍。

　　與 Si 相比，單極晶體管具有非常有吸引力的特定導通電阻，這是因為擊穿場強大約高出十倍。

圖4

　　圖 4 顯示了不同半導體的最小特定導通電阻與所需阻斷電壓的關系(這里僅使用漂移區，忽略了襯底對電阻率的任何貢獻)。每條線的端點表示單極配置中特定半導體(超結 MOSFET 除外)的可用電壓范圍。

　　用于工業電力電子的 SiC 晶體管

　　SiC 晶體管即將成為當今工業電力電子領域成熟的 IGBT 技術的一個有吸引力的替代品。SiC 的專用材料特性使得能夠設計出無少數載流子的單極器件，而不是高阻斷電壓下的電荷調制 IGBT 器件。這主要基于寬帶隙提供的高臨界場。IGBT 的損耗限制是由少數載流子的動力學引起的。在 MOSFET 中，這些少數載流子被消除了。例如，已經測量了 SiC MOSFET 的極高 dv/dt 斜率，范圍超過 100 kV/μs。一開始，與 1200 V 及更高電壓范圍內的 IGBT 相比，基于 SiC 的晶體管具有更優的動態性能，這被視為最重要的優勢。然而，最近的結果表明 IGBT 技術未來具有巨大的潛力，正如英飛凌的 TRENCHSTOP?5 技術所表明的那樣。

　　從長遠來看，IGBT 和單極 SiC 開關之間的根本差異將越來越受到關注。主要差異有兩點：第一，輸出特性的線性、無閾值 IV 曲線;第二，能夠集成具有同步整流選項的體二極管?；谶@些特性，該器件在同步整流模式下提供無閾值導通行為。此外，所需元件數量減少了一半，從而顯著減少了所需的電源模塊占用空間。

　　在系統層面，無閾值傳導行為這一特性在降低損耗方面具有巨大潛力。許多系統在其使用壽命的大部分時間里都在部分負載條件下運行，與競爭標準的 IGBT 技術相比，傳導損耗要低得多。即使在低于 5 kHz 的極低頻率和不變的 dv/dt 斜率下，也可以看出，與當今可用的商用 IGBT 解決方案相比，同步整流模式下集成體二極管的無閾值開關可將總損耗降低 50%。損耗比較見圖 5。

圖5

　　顯然，在沒有 dv/dt 限制且開關頻率更高的應用中，損耗減少幅度會更大。這在 DC-DC 升壓或降壓/升壓拓撲中很常見，可提供更小、更輕和更低成本的磁性元件。各種研究已經證明，即使使用更昂貴的電源開關，也可以在廣泛的應用中減少物料清單。根據 SiC 基元件預期的成本隨時間降低，這一應用數量將在中期時間范圍內增加。

　　在大多數情況下，SiC 晶體管設計的目標是實現最低的面積特定導通電阻。這是非常合乎邏輯的，因為該參數決定了成本，并間接決定了由芯片電容值引起的剩余動態損耗。對于給定的電阻，芯片越小，電容值越低。

　　高缺陷密度反映在 SiC MOS 器件的各種特性或特征上。例如，與硅基功率 MOSFET 相比，跨導較弱，閾值電壓較低。

　　另一個影響是導通電阻的非物理溫度行為。物理學表明，Ron 通常會在較高溫度下增加。當今可用的組件有時表現出零甚至負的溫度依賴性。這是因為缺陷相關的電阻貢獻具有負溫度系數，因此觀察到不同的溫度行為。Ron 隨溫度增加的越少，通道缺陷對器件性能的影響就越大。只有通過將導通狀態下氧化物上的施加場增加到高于硅基 MOS 功率器件中通常使用的值，才能有效地降低缺陷相關的電阻貢獻。這可以被視為長期可靠性風險，因為導通狀態下氧化物上的高場可能會加速阻斷能力的磨損。

　　SiC 的目標

　　總體目標是將 SiC 提供的低 Ron 電位與操作模式相結合，其中部件保持在經過充分研究的安全氧化場條件內。在導通狀態下，這可以通過遠離缺陷密度高的平面表面，轉向其他更有利的表面方向來實現。SiC 所謂的 a 面上的 MOS 通道的缺陷密度至少降低了十倍。因此，一種可能的方法是使用基于 TRENCH 的結構，類似于許多現代硅功率器件。除了低通道電阻外，此類結構中的單元密度自然可以高于平面結構，從而實現更有效的材料利用率。此外，這將導致較低的區域特定導通電阻。然而，在基于 Trench 的組件中，溝槽拐角處氧化物上的場應力是一個關鍵問題，尤其是在 SiC 中，這可能是一個引人注目的論點。該半導體芯片建議使用比 Si 解決方案高十倍的電場。有各種可能性可以實現關鍵區域的有效屏蔽(例如深 pn 元件)。與 DMOS 中的導通狀態難題相比，關斷狀態挑戰可以通過巧妙的設計來解決。與 DMOS 中的導通狀態難題相比，關斷狀態難題可以通過巧妙的設計來解決。與 DMOS 中的導通狀態難題相比，關斷狀態難題可以通過巧妙的設計來解決。

　　強大的 SiC 開關具有與硅基元件類似的成熟耐用性，即使新技術面臨新的挑戰，它也將在電力電子應用中擁有光明的未來。我們總是需要付出額外的努力才能以最佳和最有效的方式利用這項技術。挑戰包括更快的開關引起的 EMI 問題或更高功率密度引起的冷卻挑戰。后者是不可避免的，并且與芯片縮小相結合，這不會通過預期的損耗減少來抵消。

圖6

　　為了使 SiC 晶體管技術更快地普及，解決這些合理的擔憂是有益的。在這方面，與客戶合作以盡量減少新技術所需的設計和實施過程至關重要。

　　毋庸置疑，新的半導體技術將成為滿足基于功率半導體的應用對提高功率密度和效率日益增長的需求的關鍵推動因素。然而，硅基元件的替代不會是未來幾年的事情。相反，寬帶隙技術能夠補充硅基解決方案，特別是當它們能夠開辟當前技術無法解決的新應用領域時。

SiC 在這里被視為工業電力應用的主要創新，針對阻斷電壓高于 100 V 且額定功率高達數百千瓦的元件(如圖 6 所示)。在 SiC 二極管技術成功推向市場之后，SiC 基晶體管將是下一個重要步驟。目前，人們對寬帶隙材料的性能寄予厚望。為了快速獲得市場認可，堅固性和面向系統的產品特性是關鍵要素。

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