SiC 技術(shù)相對(duì)于 Si 具有不可否認(rèn)的優(yōu)勢(shì)

在逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和充電器等應(yīng)用中，碳化硅(SiC)器件具有更高的功率密度、降低的冷卻需求和更低的整體系統(tǒng)成本等優(yōu)勢(shì)。

盡管SiC器件的成本高于硅器件，但在1200V以上的系統(tǒng)級(jí)別優(yōu)勢(shì)，足以彌補(bǔ)更高的器件成本。在600V及以下，與硅的比較優(yōu)勢(shì)則顯得微不足道。SiC芯片需要特別設(shè)計(jì)的封裝和柵極驅(qū)動(dòng)器，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

SiC相對(duì)于硅的優(yōu)勢(shì)

通常情況下，SiC在反向恢復(fù)階段的能量損失僅為硅的1%。幾乎不存在的尾電流使得關(guān)斷速度更快，損失顯著降低。由于需要散發(fā)的能量更少，SiC器件可以在更高頻率下開關(guān)，從而提高效率。

SiC的高效率、小尺寸和輕重量可以實(shí)現(xiàn)更高額定的解決方案或更小的設(shè)計(jì)，并減少冷卻需求。

Si、SiC 和 GaN 材料之間的主要區(qū)別

硅的性能在高溫下會(huì)惡化，而SiC則更加穩(wěn)定。為了在高溫下維持規(guī)格，硅器件通常會(huì)在室溫下超規(guī)格。通常情況下，額定電流為一半的SiC器件可以與硅IGBT執(zhí)行相同的工作，因?yàn)镾iC在高溫下更加穩(wěn)定，并且不需要顯著的降額。

SiC可以在超過(guò)10kV的電壓下工作，顯著高于當(dāng)前可用的電壓。現(xiàn)在已有額定為1200V和1700V的SiC器件上市。由于電弧、爬電和間隙等問(wèn)題，封裝已成為限制因素，而非半導(dǎo)體技術(shù)。

更低的損耗

SiC模塊的主要能量損失來(lái)源于導(dǎo)通損失。作為一種寬禁帶材料，SiC的柵極電荷低，這意味著SiC在開關(guān)時(shí)需要的能量遠(yuǎn)低于硅。

由于反向恢復(fù)能量和尾電流的顯著改善，二極管的開關(guān)損耗幾乎可以忽略不計(jì)。開關(guān)導(dǎo)通損失是電阻性的，因此在這兩種技術(shù)中是相似的。下一代SiC工藝有望進(jìn)一步改善這一點(diǎn)。

更高的頻率意味著變壓器LC濾波器中組件的數(shù)值顯著降低，從而減少了磁性元件的尺寸和重量。

標(biāo)準(zhǔn)、硬、關(guān)閉轉(zhuǎn)換(左)和更軟的階梯式轉(zhuǎn)換，這將降低 di/dt

SiC的平均故障時(shí)間(MTTF)是硅的十倍，并且對(duì)輻射和單事件故障的敏感性低30倍。然而，SiC的短路容忍度較低，因此需要快速響應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器。

對(duì)于低速應(yīng)用，較高頻率的開關(guān)通常并不是優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，SiC器件的成本溢價(jià)及額外的設(shè)計(jì)考慮并不合理，因此硅IGBT更為合適。

SiC的可用性也有限。在600V/650V下，SiC器件的可用性較低，且大多數(shù)為分立元件。

硅IGBT在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電磁干擾(RFI)問(wèn)題的緩解需求較少。高性能的柵極驅(qū)動(dòng)器并不需要用來(lái)管理關(guān)斷或在短路情況下迅速保護(hù)器件。

柵極驅(qū)動(dòng)器

SiC器件需要特別設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器。專為硅IGBT設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器無(wú)法支持SiC器件的開關(guān)速度，也無(wú)法快速響應(yīng)以保護(hù)SiC器件在短路情況下的安全。

SiC器件還需要不同于硅IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓。電壓軌通常是不對(duì)稱的，通常需要幾伏的負(fù)電壓來(lái)保持器件完全關(guān)斷。

另一個(gè)考慮因素是SiC模塊需要增強(qiáng)關(guān)斷。更高頻率/更強(qiáng)開關(guān)結(jié)合較低的內(nèi)部損耗，會(huì)導(dǎo)致電流尖峰和振鈴問(wèn)題。

增強(qiáng)或“軟”關(guān)斷使用中間電壓步驟來(lái)管理突發(fā)電流變化的影響，并減輕振鈴。由于內(nèi)部損耗的阻尼效應(yīng)，硅器件受到的影響較小。

封裝問(wèn)題

由于SiC帶來(lái)的性能提升，封裝技術(shù)現(xiàn)在成為主要限制因素，即使是針對(duì)SiC優(yōu)化的封裝。SanRex、英飛凌和Wolfspeed已開發(fā)出專有的SiC封裝。

SiC封裝通常比硅封裝更小、更低剖面、熱效率更高，盡管它們必須設(shè)計(jì)為對(duì)稱布局以最小化回路電感。

當(dāng)芯片裝載在傳統(tǒng)封裝中時(shí)，SiC的優(yōu)勢(shì)得不到發(fā)揮，這些傳統(tǒng)封裝是為低頻開關(guān)且對(duì)上升和下降時(shí)間要求較寬松而設(shè)計(jì)的。非對(duì)稱設(shè)計(jì)在高頻時(shí)表現(xiàn)不佳，受到波傳播效應(yīng)的影響。

如果要充分發(fā)揮這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，必須使用特定于SiC的封裝和柵極驅(qū)動(dòng)器，這使得SiC成為新系統(tǒng)設(shè)計(jì)的良好選擇。