有關(guān)電力應(yīng)用中碳化硅的知識(shí)

碳化硅 (SiC) 是一種由硅 (Si) 和碳 (C) 組成的半導(dǎo)體化合物，屬于寬帶隙 (WBG) 材料家族。它的物理鍵非常強(qiáng)，使半導(dǎo)體具有很高的機(jī)械、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。寬帶隙和高熱穩(wěn)定性使 SiC器件能夠在高于硅的結(jié)溫下使用，甚至超過 200°C。碳化硅在功率應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)在于其低漂移區(qū)電阻，這是高壓功率器件的關(guān)鍵因素。[這里是“關(guān)于 GaN 的 10 件事”]

由于結(jié)合了優(yōu)異的物理和電子特性，基于 SiC 的功率器件正在推動(dòng)電力電子技術(shù)的徹底變革。盡管這種材料早已為人所知，但它作為半導(dǎo)體的使用是相對(duì)較新的，這在很大程度上要?dú)w功于大型和高質(zhì)量晶片的可用性。近幾十年來，人們一直致力于開發(fā)特定且獨(dú)特的高溫晶體生長(zhǎng)工藝。盡管 SiC 具有不同的多晶型晶體結(jié)構(gòu)（也稱為多型），但 4H-SiC 多型六方晶體結(jié)構(gòu)最適合高功率應(yīng)用。

碳化硅的主要特性是什么？

硅與碳的結(jié)合使這種材料具有出色的機(jī)械、化學(xué)和熱性能，包括：

高導(dǎo)熱性

低熱膨脹和優(yōu)異的抗熱震性

低功率和開關(guān)損耗

高能效

高工作頻率和溫度（工作溫度高達(dá) 200°C 結(jié)）

小芯片尺寸（具有相同的擊穿電壓）

本征體二極管（MOSFET器件）

出色的熱管理，可降低冷卻要求

使用壽命長(zhǎng)

碳化硅在電子領(lǐng)域有哪些應(yīng)用？

碳化硅是一種非常適合電力應(yīng)用的半導(dǎo)體，這首先要?dú)w功于它能夠承受高電壓，比硅高出十倍?；谔蓟璧陌雽?dǎo)體具有更高的熱導(dǎo)率、更高的電子遷移率和更低的功率損耗。碳化硅二極管和晶體管也可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會(huì)影響可靠性。SiC器件的主要應(yīng)用，如肖特基二極管和FET/MOSFET晶體管，包括轉(zhuǎn)換器、逆變器、電源、電池充電器和電機(jī)控制系統(tǒng)。

為什么 SiC 在功率應(yīng)用中勝過 Si？

盡管是電子產(chǎn)品中使用最廣泛的半導(dǎo)體，但硅開始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應(yīng)用中。這些應(yīng)用中的一個(gè)相關(guān)因素是半導(dǎo)體提供的帶隙或能隙。當(dāng)帶隙高時(shí)，它使用的電子設(shè)備可以更小、運(yùn)行更快、更可靠。它還可以在比其他半導(dǎo)體更高的溫度、電壓和頻率下工作。雖然硅的帶隙約為 1.12eV，但碳化硅的帶隙值約為 3.26eV 的近三倍。

為什么 SiC 可以承受如此高的電壓？

功率器件，尤其是 MOSFET，必須能夠處理極高的電壓。由于電場(chǎng)的介電擊穿強(qiáng)度大約是硅的十倍，SiC 可以達(dá)到非常高的擊穿電壓，從 600V 到幾千伏。SiC 可以使用比硅更高的摻雜濃度，并且漂移層可以做得很薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，給定高電壓，單位面積漂移層的電阻可以降低到硅的1/300。

為什么 SiC 在高頻下的性能優(yōu)于 IGBT？

在大功率應(yīng)用中，過去主要使用 IGBT 和雙極晶體管，目的是降低在高擊穿電壓下出現(xiàn)的導(dǎo)通電阻。然而，這些器件會(huì)提供顯著的開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致發(fā)熱問題限制了它們?cè)诟哳l下的使用。使用 SiC，可以制造實(shí)現(xiàn)高電壓、低導(dǎo)通電阻和快速運(yùn)行的器件，例如肖特基勢(shì)壘二極管和 MOSFET。

哪些雜質(zhì)用于摻雜 SiC 材料？

在其純凈形式中，碳化硅的行為類似于電絕緣體。通過控制添加雜質(zhì)或摻雜劑，SiC 可以表現(xiàn)得像半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體可以通過摻雜鋁、硼或鎵來獲得，而氮和磷的雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生N型半導(dǎo)體。根據(jù)紅外輻射、可見光和紫外線的電壓或強(qiáng)度等因素，碳化硅具有在某些條件下導(dǎo)電但在其他條件下不導(dǎo)電的能力。與其他材料不同，碳化硅能夠控制在寬范圍內(nèi)制造器件所需的 P 型和 N 型區(qū)域。由于這些原因，SiC 是一種適用于功率器件的材料，并且能夠克服硅提供的限制。

SiC 如何實(shí)現(xiàn)比硅更好的熱管理？

另一個(gè)重要參數(shù)是熱導(dǎo)率，它是半導(dǎo)體如何散發(fā)其產(chǎn)生的熱量的指標(biāo)。如果半導(dǎo)體不能有效散熱，則會(huì)對(duì)器件可以承受的最大工作電壓和溫度進(jìn)行限制。這是碳化硅優(yōu)于硅的另一個(gè)領(lǐng)域：碳化硅的熱導(dǎo)率為 1490 W/mK，而硅的熱導(dǎo)率為 150 W/mK。

SiC 反向恢復(fù)時(shí)間與 Si-MOSFET 相比如何？

SiC MOSFET 與其硅對(duì)應(yīng)物一樣，具有內(nèi)部體二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復(fù)行為，當(dāng)二極管在承載正正向電流時(shí)關(guān)閉時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。因此，反向恢復(fù)時(shí)間 (trr) 成為定義 MOSFET 特性的重要指標(biāo)。圖 比較了 1000V Si 基 MOSFET 和 SiC 基 MOSFET 的 trr?？梢钥闯?，SiC MOSFET 的體二極管速度極快：trr 和 Irr 的值小到可以忽略不計(jì)，能量損失 Err 大大降低。

圖 ：反向恢復(fù)時(shí)間比較（圖片：Rohm）

為什么軟關(guān)斷對(duì)于短路保護(hù)很重要？

SiC MOSFET 的另一個(gè)重要參數(shù)是短路耐受時(shí)間 (SCWT)。由于 SiC MOSFET 占用的芯片面積非常小，并且具有高電流密度，因此它們承受可能導(dǎo)致熱斷路的短路的能力往往低于硅基器件。以 TO247 封裝的 1.2kV MOSFET 為例，在 Vdd=700V 和 Vgs=18V 時(shí)的短路耐受時(shí)間約為 8-10 μs。隨著 Vgs 降低，飽和電流降低，耐受時(shí)間增加。隨著 Vdd 降低，產(chǎn)生的熱量更少，耐受時(shí)間更長(zhǎng)。由于關(guān)斷 SiC MOSFET 所需的時(shí)間極短，因此當(dāng)關(guān)斷率 Vgs 較高時(shí)，高 dI/dt 會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓尖峰。因此，應(yīng)使用軟關(guān)斷來逐漸降低柵極電壓，避免出現(xiàn)過壓峰值。

為什么隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是更好的選擇？

許多電子設(shè)備既是低壓電路又是高壓電路，它們相互連接以執(zhí)行控制和供電功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級(jí)側(cè)（電源、通信和控制電路）和次級(jí)側(cè)（高壓電路、電機(jī)、功率級(jí)和輔助電路）。位于初級(jí)側(cè)的控制器通常使用來自高壓側(cè)的反饋信號(hào)，如果不存在隔離柵，則很容易受到損壞。隔離柵將電路從初級(jí)側(cè)電隔離到次級(jí)側(cè)，形成單獨(dú)的接地參考，實(shí)現(xiàn)所謂的電流隔離。這可以防止不需要的 AC 或 DC 信號(hào)從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，從而損壞電源組件。

審核編輯：湯梓紅