碳化硅和硅的優(yōu)勢(shì)對(duì)比

寬帶隙半導(dǎo)體使許多以前使用硅（Si）無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高功率應(yīng)用成為可能，兩種材料的特性說明了為什么碳化硅二極管（SiC）在多個(gè)指標(biāo)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在相同額定電壓下，碳化硅二極管（SiC）比硅（Si）占用的空間更小

碳化硅具有10倍的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)于給定的阻斷電壓，比硅更薄、更高的摻雜漂移層，使其電阻率更低，傳導(dǎo)性能更好。這意味著在相同的額定電壓下，碳化硅芯片（SiC）可以小于其硅（Si）等效物。

對(duì)于給定的電流和電壓額定值，具有較小芯片尺寸的另一個(gè)好處是器件自電容更低，相關(guān)電荷更低。這與碳化硅更高的電子飽和速度相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)比硅更快的開關(guān)速度和更低的損耗。

碳化硅二極管表現(xiàn)出更好的熱性能

碳化硅（SiC）的導(dǎo)熱性比硅（Si）好近3.5倍，其每單位面積可以耗散更多的功率（熱量）。雖然封裝可能是連續(xù)運(yùn)行期間的限制因素，但SiC提供的顯著額外裕量為易受瞬態(tài)熱事件影響的應(yīng)用帶來(lái)了更大的信心。此外，能夠承受更高的溫度意味著碳化硅二極管（SiC）能提供更堅(jiān)固的性能和更好的可靠性，而不會(huì)有熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

碳化硅二極管（SiC）的反向恢復(fù)損耗幅度較低，可大大提高功率轉(zhuǎn)換器效率

碳化硅二極管（SiC）是單極肖特基金屬半導(dǎo)體器件，其中傳導(dǎo)僅通過多數(shù)載流子（電子）。這意味著當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，結(jié)耗盡層中幾乎不會(huì)存儲(chǔ)任何電荷。

相比之下，P-N結(jié)硅二極管是雙極性的，并存儲(chǔ)了在向反向偏置過渡期間必須去除的電荷。這會(huì)導(dǎo)致反向電流尖峰，意味著二極管（以及任何相關(guān)的開關(guān)晶體管和緩沖器）中的功率損耗更高；并且隨著開關(guān)頻率的增加，功率損耗會(huì)惡化。

碳化硅二極管（SiC）在反向偏置下，會(huì)因自身電容放電而表現(xiàn)出反向電流尖峰，但比P-N結(jié)二極管低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著不僅二極管本身并且在相應(yīng)的開關(guān)晶體管中消耗的功率更少。

碳化硅二極管（SiC）的正向壓降和反向漏電流與硅（Si）相匹配

碳化硅二極管（SiC）的最大正向壓降可與最好的超快硅（Si）類型相媲美，并且正在不斷改進(jìn)（對(duì)于更高的阻斷電壓額定值，差異很?。?/p>

盡管是肖特基型，但在反向偏置下，高壓碳化硅二極管（SiC）的反向漏電流和由此產(chǎn)生的功耗相對(duì)較低，類似于相同電壓和電流等級(jí)的超快硅二極管（Si）。

由于沒有反向電荷恢復(fù)效應(yīng)，碳化硅二極管和超快硅二極管之間的正向壓降和反向漏電流變化引起的任何微小的耗散差異，都會(huì)被碳化硅動(dòng)態(tài)損耗的改善所抵消。

碳化硅二極管（SiC）恢復(fù)電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，降低功率損耗

硅二極管（Si）的恢復(fù)電流和時(shí)間，隨溫度變化而變化很大，這使得電路優(yōu)化變得困難。但碳化硅（SiC）不存在這種變化。

在某些電路中，如“硬開關(guān)”功率因數(shù)校正極，充當(dāng)升壓整流器的硅二極管可以控制損耗。從高電流下的正向偏置到典型單相交流輸入的反向偏置（通常約為400V DC母線電壓），碳化硅二極管（SiC）的特性可以顯著提高該應(yīng)用的效率，并減輕硬件設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)考慮。

碳化硅二極管（SiC）可以并聯(lián)，沒有熱失控的危險(xiǎn)

與硅（Si）相比，碳化硅二極管（SiC）的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以并聯(lián)連接。因?yàn)樗鼈兊恼驂航稻哂姓郎囟认禂?shù)（在I-V曲線的應(yīng)用相關(guān)區(qū)域），這有助于糾正任何電流不平衡。

相比之下，當(dāng)器件并聯(lián)時(shí)，硅P-N二極管的負(fù)溫度系數(shù)會(huì)導(dǎo)致熱失控，需要大量降額或額外的有源電路來(lái)迫使器件分流。

碳化硅二極管（SiC）具有比硅（Si）更好的電磁兼容性（EMI）性能

碳化硅二極管（SiC）軟開關(guān)行為的另一個(gè)好處是，顯著降低了EMI。

當(dāng)硅二極管（Si）用作開關(guān)整流器時(shí)，反向恢復(fù)電流（具有寬頻譜）中潛在的瞬息尖峰會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。這些會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)干擾（通過各種耦合路徑），可能導(dǎo)致超過系統(tǒng)EMI限值。

在這些頻率下，由于這種雜散耦合，濾波可能很復(fù)雜。此外，設(shè)計(jì)用于衰減開關(guān)基波和低諧波頻率（通常低于1 MHz）的EMI濾波器通常具有高自電容，將使其在較高頻率下效率較低。

考慮緩沖器可用于快速恢復(fù)硅二極管（Si），以限制邊沿速率和阻尼振蕩，從而減少其他組件上的應(yīng)力并降低EMI。然而，緩沖器必須耗散大量能量，這降低了系統(tǒng)效率。

碳化硅二極管（SiC）的正向恢復(fù)功率損耗低于硅（Si）

正向恢復(fù)是硅二極管（Si）中經(jīng)常被忽視的功率損耗來(lái)源。在從關(guān)斷狀態(tài)過渡到導(dǎo)通狀態(tài)期間，二極管壓降會(huì)暫時(shí)增加，產(chǎn)生過沖、振鈴和與P-N結(jié)初始較低電導(dǎo)率相關(guān)的額外損耗。然而，碳化硅二極管（SiC）中沒有這種效應(yīng)，這意味著正向恢復(fù)損失將不是問題。

由此可見，碳化硅（SiC）應(yīng)用于太陽(yáng)能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國(guó)防軍工等眾多領(lǐng)域，而硅（Si）卻不一定能做得到同樣優(yōu)異的性能。

同時(shí)，由于碳化硅（SiC）其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，能大幅降低開關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，從而提高系統(tǒng)整體可靠性。這將使電動(dòng)汽車能夠在續(xù)航里程上提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)下仍能于高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，從而進(jìn)一步改變了我們的生活。

審核編輯：湯梓紅