过去几年，基于SIC 的功率半导体解决方案的使用量大幅增长，这是一场值得信赖的革命。该市场发展的驱动力包括节能、尺寸减小、系统集成和可靠性提高。

　　新的宽带隙技术

　　SiC 器件完全有能力应对上述所有市场挑战。正如我们在过去几年中看到的每一代新硅功率器件一样，新的宽带隙技术不仅仅是向前迈出的一步，而且有能力成为真正的游戏规则改变者。基于 SiC 的系统具有革命性的能力，其特点是性能的急剧变化，这对以创新和颠覆性解决方案为目标的设计师来说很有吸引力。IGBT或超结 MOSFET 与SiC 二极管相结合已成为太阳能、充电器或电源等各种应用的常态。这种组合——快速硅基开关与 SiC 二极管的匹配——通常被称为“混合”解决方案。

图1

　　某些应用领域总是会成为任何新技术的早期采用者。根据实际系统价值，当新技术的成本或性能足够吸引人，从而转向新的更先进的技术解决方案时，其他领域也会跟进。在高端电源中使用 SiC 二极管进行设计后，英飞凌已确定太阳能逆变器和升压电路是最有可能从这项新技术中受益的领域。在此之后，不间断电源 (UPS)和充电器等相关市场领域可能会跟进。预计电机驱动器、牵引和长期来看汽车应用等更传统的领域将对大规模转向新半导体技术非常感兴趣。

　　过去，能源效率是太阳能转换器成功的关键设计和营销途径。例如，用作升压电路一部分的 SiC 二极管是实现 98% 或更高效率水平的最佳解决方案。

　　如今，太阳能设计的主要趋势是提高功率密度，从而减少开关损耗、减小散热器、提高工作频率和减小磁性元件。SiC 二极管已日益成为现代太阳能串式逆变器解决方案以及微型逆变器应用中的主要元件。最近，英飞凌的 SiC 二极管技术已发展到第五代。SiC 二极管通过使用芯片缩小选项取得了进一步的进展，以实现更具吸引力的成本优势。此外，还实施了新技术特性，与前几代产品相比，这将为客户带来更多好处。一些示例包括更低的正向压降，从而降低传导损耗、提高浪涌电流能力以及增强击穿行为。混合解决方案是当今全球太阳能逆变器的标准组成部分。英飞凌凭借超过 15 年的卓越业绩和可靠的大批量生产，已成为该技术值得信赖的合作伙伴。

　　SiC 晶体管概念

　　英飞凌的集成制造概念能够保证其可靠性和工艺稳定性与其硅产品处于同一水平，因为 SiC 芯片采用与大批量硅功率芯片相同的生产线。此外，这种集成概念还带来了产量灵活性，这是处理快速发展的细分市场中所需的新兴技术的关键因素。基于对系统的深入理解和对成本性能的明确关注，可以通过在硅和碳化硅基半导体之间形成优化组合来成功定义产品。这种从纯半导体技术驱动的产品定义转向为目标系统量身定制的解决方案的转变被视为 SiC 未来成功的关键因素。根据二极管技术的经验，未来几年将推出类似的 SiC 晶体管。这是将 SiC 推向更接近主流技术水平的重要一步。如上所列，关键要素包括：

　　经过验证的坚固性

　　极具吸引力的成本/性能，带来可衡量的系统优势

　　量产能力

　　产品定义由系统理解驱动

　　过去几年，人们进行了深入研究，主要是为了了解 SiC 的系统优势。使用单极 SiC 晶体管的转换器的开关频率增加可以大大减少磁性元件的体积和重量。根据英飞凌的分析，与目前的 Si 基参考解决方案相比，基于 SiC 器件的转换器尺寸只有其三分之一，重量只有其 25%。

　　由于体积和重量显著减小，系统成本可降低20%以上。

图2

　　未来几年，SiC 解决方案将扩展到其他应用领域，例如工业和牵引驱动。其原因是市场推动降低损耗，不仅是为了提高效率，也是为了通过减少散热器要求实现更小的封装。如图 2 所示，SiC 已用于高端和小众解决方案。当今的设计利用这些优势来降低特定应用领域的系统成本。

　　未来，越来越多的应用将受益于通过实施 SiC 解决方案实现的整体损耗降低。在这方面，下一个重大进步将是引入 SiC 开关。

图3

　　要理解 Si 和 SiC 解决方案之间的差异，必须明确碳化硅器件属于所谓的宽带隙半导体。图 3 显示了硅和碳化硅材料特性的比较。快速单极肖特基二极管以及基于场效应的 SiC 开关(MOSFET、JFET)的电压范围可以扩展到 1000 V 以上。这是由于 SiC 材料的固有特性而实现的：

　　高压肖特基二极管的漏电流较低，这是因为金属半导体势垒比硅肖特基二极管高两倍。

　　与 Si 相比，单极晶体管具有非常有吸引力的特定导通电阻，这是因为击穿场强大约高出十倍。

图4

　　图 4 显示了不同半导体的最小特定导通电阻与所需阻断电压的关系(这里仅使用漂移区，忽略了衬底对电阻率的任何贡献)。每条线的端点表示单极配置中特定半导体(超结 MOSFET 除外)的可用电压范围。

　　用于工业电力电子的 SiC 晶体管

　　SiC 晶体管即将成为当今工业电力电子领域成熟的 IGBT 技术的一个有吸引力的替代品。SiC 的专用材料特性使得能够设计出无少数载流子的单极器件，而不是高阻断电压下的电荷调制 IGBT 器件。这主要基于宽带隙提供的高临界场。IGBT 的损耗限制是由少数载流子的动力学引起的。在 MOSFET 中，这些少数载流子被消除了。例如，已经测量了 SiC MOSFET 的极高 dv/dt 斜率，范围超过 100 kV/µs。一开始，与 1200 V 及更高电压范围内的 IGBT 相比，基于 SiC 的晶体管具有更优的动态性能，这被视为最重要的优势。然而，最近的结果表明 IGBT 技术未来具有巨大的潜力，正如英飞凌的 TRENCHSTOP™5 技术所表明的那样。

　　从长远来看，IGBT 和单极 SiC 开关之间的根本差异将越来越受到关注。主要差异有两点：第一，输出特性的线性、无阈值 IV 曲线;第二，能够集成具有同步整流选项的体二极管。基于这些特性，该器件在同步整流模式下提供无阈值导通行为。此外，所需元件数量减少了一半，从而显著减少了所需的电源模块占用空间。

　　在系统层面，无阈值传导行为这一特性在降低损耗方面具有巨大潜力。许多系统在其使用寿命的大部分时间里都在部分负载条件下运行，与竞争标准的 IGBT 技术相比，传导损耗要低得多。即使在低于 5 kHz 的极低频率和不变的 dv/dt 斜率下，也可以看出，与当今可用的商用 IGBT 解决方案相比，同步整流模式下集成体二极管的无阈值开关可将总损耗降低 50%。损耗比较见图 5。

图5

　　显然，在没有 dv/dt 限制且开关频率更高的应用中，损耗减少幅度会更大。这在 DC-DC 升压或降压/升压拓扑中很常见，可提供更小、更轻和更低成本的磁性元件。各种研究已经证明，即使使用更昂贵的电源开关，也可以在广泛的应用中减少物料清单。根据 SiC 基元件预期的成本随时间降低，这一应用数量将在中期时间范围内增加。

　　在大多数情况下，SiC 晶体管设计的目标是实现最低的面积特定导通电阻。这是非常合乎逻辑的，因为该参数决定了成本，并间接决定了由芯片电容值引起的剩余动态损耗。对于给定的电阻，芯片越小，电容值越低。

　　高缺陷密度反映在 SiC MOS 器件的各种特性或特征上。例如，与硅基功率 MOSFET 相比，跨导较弱，阈值电压较低。

　　另一个影响是导通电阻的非物理温度行为。物理学表明，Ron 通常会在较高温度下增加。当今可用的组件有时表现出零甚至负的温度依赖性。这是因为缺陷相关的电阻贡献具有负温度系数，因此观察到不同的温度行为。Ron 随温度增加的越少，通道缺陷对器件性能的影响就越大。只有通过将导通状态下氧化物上的施加场增加到高于硅基 MOS 功率器件中通常使用的值，才能有效地降低缺陷相关的电阻贡献。这可以被视为长期可靠性风险，因为导通状态下氧化物上的高场可能会加速阻断能力的磨损。

　　SiC 的目标

　　总体目标是将 SiC 提供的低 Ron 电位与操作模式相结合，其中部件保持在经过充分研究的安全氧化场条件内。在导通状态下，这可以通过远离缺陷密度高的平面表面，转向其他更有利的表面方向来实现。SiC 所谓的 a 面上的 MOS 通道的缺陷密度至少降低了十倍。因此，一种可能的方法是使用基于 TRENCH 的结构，类似于许多现代硅功率器件。除了低通道电阻外，此类结构中的单元密度自然可以高于平面结构，从而实现更有效的材料利用率。此外，这将导致较低的区域特定导通电阻。然而，在基于 Trench 的组件中，沟槽拐角处氧化物上的场应力是一个关键问题，尤其是在 SiC 中，这可能是一个引人注目的论点。该半导体芯片建议使用比 Si 解决方案高十倍的电场。有各种可能性可以实现关键区域的有效屏蔽(例如深 pn 元件)。与 DMOS 中的导通状态难题相比，关断状态挑战可以通过巧妙的设计来解决。与 DMOS 中的导通状态难题相比，关断状态难题可以通过巧妙的设计来解决。与 DMOS 中的导通状态难题相比，关断状态难题可以通过巧妙的设计来解决。

　　强大的 SiC 开关具有与硅基元件类似的成熟耐用性，即使新技术面临新的挑战，它也将在电力电子应用中拥有光明的未来。我们总是需要付出额外的努力才能以最佳和最有效的方式利用这项技术。挑战包括更快的开关引起的 EMI 问题或更高功率密度引起的冷却挑战。后者是不可避免的，并且与芯片缩小相结合，这不会通过预期的损耗减少来抵消。

图6

　　为了使 SiC 晶体管技术更快地普及，解决这些合理的担忧是有益的。在这方面，与客户合作以尽量减少新技术所需的设计和实施过程至关重要。

　　毋庸置疑，新的半导体技术将成为满足基于功率半导体的应用对提高功率密度和效率日益增长的需求的关键推动因素。然而，硅基元件的替代不会是未来几年的事情。相反，宽带隙技术能够补充硅基解决方案，特别是当它们能够开辟当前技术无法解决的新应用领域时。

SiC 在这里被视为工业电力应用的主要创新，针对阻断电压高于 100 V 且额定功率高达数百千瓦的元件(如图 6 所示)。在 SiC 二极管技术成功推向市场之后，SiC 基晶体管将是下一个重要步骤。目前，人们对宽带隙材料的性能寄予厚望。为了快速获得市场认可，坚固性和面向系统的产品特性是关键要素。

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