碳化硅相對于硅的優(yōu)勢

在逆變器、電機(jī)驅(qū)動器和電池充電器等應(yīng)用中，碳化硅（SiC）器件具有更高的功率密度、更低的冷卻要求和更低的整體系統(tǒng)成本等優(yōu)勢。

盡管碳化硅器件的成本高于硅器件，但系統(tǒng)級器件的優(yōu)勢，特別是在1,200V電壓下，足以彌補(bǔ)較高的器件成本。與硅相比，在600V或低于600V時，其優(yōu)勢微乎其微。碳化硅芯片需要專門設(shè)計的封裝和柵極驅(qū)動器才能獲得優(yōu)勢。

碳化硅相對于硅的優(yōu)勢

通常，碳化硅在反向恢復(fù)階段損失的能量僅為硅損失能量的1%。由于實(shí)際上沒有尾電流，因此可以更快地關(guān)斷并顯著降低損耗。由于耗散的能量較少，因此SiC器件可以在更高的頻率下切換并提高效率。

碳化硅的效率更高、尺寸更小、重量更輕，可以創(chuàng)建更高額定值的解決方案或更小的設(shè)計，同時降低冷卻要求。

硅的性能在較高的溫度下會變差，而碳化硅則更穩(wěn)定。硅器件通常在室溫下過高規(guī)格，以在較高溫度下保持規(guī)格。通常，額定電流為一半的SiC器件將執(zhí)行與硅IGBT相同的工作，因?yàn)镾iC在較高溫度下更加穩(wěn)定，并且不需要顯著降額。

碳化硅的工作電壓高于10kV，大大高于目前可以使用的電壓。提供額定電壓為1,200V和1,700V的SiC器件。由于電弧、爬電距離和電氣間隙等問題，封裝已成為限制因素，而不是半導(dǎo)體技術(shù)。

更低的損耗

碳化硅模塊中能量損耗的主要來源是傳導(dǎo)損耗。作為一種寬禁帶材料，SiC具有低柵極電荷，這意味著SiC需要更少的能量來使器件開關(guān)。

由于反向恢復(fù)能量和尾電流的顯著改善，二極管開關(guān)損耗幾乎被消除。開關(guān)導(dǎo)通損耗是電阻性的，因此在兩種技術(shù)中是相似的。下一代碳化硅工藝有望進(jìn)一步改進(jìn)。

更高的頻率意味著磁性的尺寸和重量減小，因?yàn)樽儔浩鱈C濾波器中的元件值會明顯降低。

SiC的平均失效時間（MTTF）是硅的10倍，對輻射和單粒子失效的敏感度降低30倍。然而，SiC具有較低的短路容限，因此需要一個快速作用的柵極驅(qū)動器。

對于低速應(yīng)用來說，較高頻率的開關(guān)通常不是一個優(yōu)勢。在這種情況下，SiC器件的成本溢價和額外的設(shè)計考慮是不合理的，這使得硅IGBT成為更合乎邏輯的解決方案。

碳化硅的供應(yīng)也有限。在600V/650V時，SiC器件的可用性很低，而且大多是分立元件。

硅IGBT在設(shè)計過程中對RFI問題的緩解要求較少。在發(fā)生短路時，不需要高性能柵極驅(qū)動器來管理關(guān)斷或快速反應(yīng)以保護(hù)器件。

柵極驅(qū)動器

碳化硅器件需要專門設(shè)計的柵極驅(qū)動器。專為驅(qū)動硅IGBT而設(shè)計的IGBT將不支持SiC器件的開關(guān)速度，也不支持在發(fā)生短路時保護(hù)SiC器件所需的快速故障響應(yīng)時間。

它們還需要與硅IGBT對應(yīng)物不同的驅(qū)動電壓。電壓軌通常是不對稱的，通常需要幾伏的負(fù)電壓軌才能使器件完全關(guān)斷。

另一個考慮因素是SiC模塊需要增強(qiáng)關(guān)斷。更高的頻率/更硬的開關(guān)與較低的內(nèi)部損耗相結(jié)合，會導(dǎo)致電流尖峰和振鈴問題。

增強(qiáng)型或“軟”關(guān)斷使用中間電壓階躍來管理突然電流變化的影響并減輕振鈴。由于內(nèi)部損耗的阻尼作用，硅器件受到的影響較小。

包裝問題

由于碳化硅的性能改進(jìn)，封裝技術(shù)現(xiàn)在已成為主要制約因素，即使對于碳化硅優(yōu)化封裝也是如此。SanRex（如圖）、英飛凌和Wolfspeed已經(jīng)開發(fā)出了專有的SiC封裝。

與硅相比，碳化硅封裝通常更小、更扁平、熱效率更高，盡管它們必須采用對稱布局設(shè)計，以最大限度地降低環(huán)路電感。碳化硅的優(yōu)勢沒有得到實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾酒惭b在傳統(tǒng)封裝中，設(shè)計用于在較低頻率下進(jìn)行開關(guān)，具有更寬松的上升和下降時間要求。由于波傳播效應(yīng)，非對稱設(shè)計在較高頻率下表現(xiàn)不佳。

如果要實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的優(yōu)勢，則必須使用SiC專用封裝和柵極驅(qū)動器，這使得SiC成為新系統(tǒng)設(shè)計的理想選擇。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對標(biāo)國際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級、車規(guī)級可靠性測試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(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，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，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊。在國內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計開發(fā)了28nm光敏光柵開關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產(chǎn)品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場及各重點(diǎn)科研單位、檢測機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

公司核心研發(fā)團(tuán)隊中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計、可靠性設(shè)計、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項國際、國內(nèi)自主發(fā)明專利。

“國之重器，從晶出發(fā)，自強(qiáng)自主，成就百年”是國晶微半導(dǎo)體的企業(yè)目標(biāo)，我們?yōu)閱T工提供精彩的發(fā)展空間，為客戶提供精良的產(chǎn)品服務(wù)，我們真誠期待與您攜手共贏未來。