使用SiC的關鍵在于了解事實

Ajay Hari

最近，碳化硅（SiC）及其在電力電子領域的潛在應用受到了廣泛關注，但同時也引發了一些誤解。本文旨在澄清這些誤解，讓工程師們在未來放心地使用SiC器件。

應用

圍繞SiC產生的一些疑慮與其應用范圍相關。例如，一些設計人員認為SiC MOSFET應該用來替代IGBT，而硅MOSFET的替代品應該是氮化鎵（GaN）器件。然而，額定電壓為650V的SiC MOSFET具有出色的性能，其R_DS（ON）*Q_g品質因數很有競爭力，反向恢復電荷也非常小。因此，在圖騰柱功率因數校正（TPPFC）或同步升壓等硬開關應用中，SiC是硅MOSFET的絕佳替代品。一些工程師認為SiC不太適合更高頻率的應用，而要實現快速開關就應該改用GaN。然而，隨著最近的技術進步，SiC芯片面積進一步縮小，進而使其越來越適合高頻（>100 kHz）操作。正因如此，對于像100 kHz的TPPFC以及（200～300） kHz頻率的軟開關LLC之類的應用，SiC器件現在已經有成功的經驗。此外，溝槽和共源共柵SiC MOSFET等新興技術將進一步增強其高頻性能。最后，還有工程師考慮到SiC已成功應用于電動汽車牽引逆變器，便認為SiC是一項小眾技術。然而，如今幾乎所有行業都需要提高功率密度和確保高效運行，這就意味著SiC的優勢還可以普及到各種不太復雜的設計，例如電動汽車車載充電器（OBC）、太陽能光伏（PV）模塊和可再生能源，以及云計算。

器件選擇和操作

許多設計人員使用負關斷柵極電壓來防止SiC器件因開關瞬變而“抖動”或意外重新導通，但這并不做嚴格規定。許多成功的SiC設計案例都未采用負柵極電壓驅動。但是，在所有設計中都應遵循良好的慣例，比如采用緊湊布局來盡量減少寄生效應。此外，柵極驅動器應該能夠吸收足夠的電流，從而將器件穩定在關斷狀態。在少數的應用中，比如TPPFC，結隔離柵極驅動器或可接受。然而，值得注意的是，電隔離柵極驅動器的抗噪能力更強，并且可以更好地處理開關節點dv/dt瞬變，防止誤觸發。由于SiC MOSFET開關速度快且柵極電荷（Qg）比等效的硅器件低，因此即使在不做嚴格要求的應用中，電隔離柵極驅動器也能實現更穩健的設計。如今，許多專用SiC驅動器都提供便捷的功能，如負柵極驅動、DESAT、OCP、OTP和其他保護。只要選擇了合適的柵極驅動器，驅動SiC器件就跟驅動硅MOSFET一樣易實現。

SiC經濟學、生態系統和供應鏈

公眾認為SiC解決方案成本高，這是一種誤解。與硅MOSFET相比，SiC器件存在小范圍溢價；但是，以一個典型的30 kW硅基電源解決方案為例。在該解決方案中，電感器和電容器占總成本的90%（分別為60%和30%），而半導體器件僅占總物料（BOM）成本的10%。假設將硅MOSFET更換為SiC開關。在這種情況下，電容和電感的尺寸將減少75%，使得成本顯著降低（尺寸也大幅縮小），抵消了開關元件成本增加的影響。此外，硅器件的效率低于SiC，需要搭配昂貴且龐大的散熱器解決方案。因此，SiC 解決方案的總BOM 成本低于等效的硅解決方案。

隨著相關技術進入主流，SiC 生態系統正在迅速發展。現在市面上有各種商用SiC 器件和相關柵極驅動器可供選擇，提供幾種封裝樣式，適合多種應用。隨著制造商開始通過應用工程團隊、參考設計、應用筆記、仿真模型和工具提高其支持力度，整個行業的 SiC 知識儲備正在不斷完善。最近某些行業面臨元件供貨（不僅僅是SiC）的問題。然而，得益于最近對GTAT 的收購，安森美 （onsemi） 的供應鏈變得更加強大可靠。安森美是為數不多具有端到端SiC 供應能力的大型供應商，包括晶錠批量生長、基板制備、外延、器件制造、出色的集成模塊和分立式封裝解決方案。為了順應未來幾年SiC的預期增長態勢，安森美計劃將基板業務的產能提高五倍，并斥巨資擴大公司的器件和模塊產能，到2023 年實現所有工廠產能翻一番。到2024 年，產能再增加近一倍，并能夠視需要實現再次增長。

高溫和高壓下的穩健性

SiC 材料寬帶隙（WBG） 的特性使其在SiC MOSFET中的雪崩兼具更強的耐受性，這是因為熱產生的載流子濃度遠小于硅器件。雖然SiC 器件確實因為幾何尺寸更小而導致它們的短路耐受時間比IGBT 短，但是，使用適當的SiC 柵極驅動器可確保檢測到故障并在關斷器件的同時留有足夠的備用裕量，因此在具有穩健性要求的應用中可以放心使用。許多電動汽車的電池電壓將從400 V 升至800 V 或1，000 V。而太陽能光伏 （PV） 系統中的輸入電壓也將從600 V 升至1500 V。這就要求器件具有更高的擊穿電壓，為此安森美開發了一系列針對快速開關應用優化的1 700V M1 平面EliteSiC MOSFET器件。除了這些MOSFET，安森美還推出了一系列1 700 V SiC 肖特基二極管。

結論

對硅器件和碳化硅器件進行各項指標分析后的結果表明，許多普遍存在的誤解缺乏事實依據，工程師可放心選擇將這種多功能技術應用于他們的設計中。