為了提高電源系統(tǒng)效率和功率密度，許多應(yīng)用都在逐步提高開關(guān)頻率和整體系統(tǒng)電壓。這種趨勢(shì)最近導(dǎo)致對(duì)能夠以超低導(dǎo)通和開關(guān)損耗運(yùn)行的高壓功率半導(dǎo)體開關(guān)的需求。例如，前幾代電動(dòng)汽車使用的電源系統(tǒng)只有幾百伏；較新的 EV 電源系統(tǒng)正在達(dá)到高達(dá) 800V 的電池電壓，并朝著更高的開關(guān)頻率發(fā)展，以減小無源元件的尺寸。

數(shù)據(jù)中心、光伏以及大量其他可再生能源和工業(yè)應(yīng)用也是如此。這些新的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要在固態(tài)電源開關(guān)器件方面取得突破，以高效可靠地處理高功率、快速開關(guān)速度和寬工作溫度范圍。傳統(tǒng) IGBT 技術(shù)努力提供這些應(yīng)用所需的新效率閾值。憑借新的大規(guī)模市場(chǎng)生產(chǎn)能力和巨大的性能改進(jìn)，更新的碳化硅 MOSFET 技術(shù)非常適合滿足高壓電力電子系統(tǒng)的苛刻要求。

碳化硅在功率器件方面優(yōu)于硅

對(duì)于功率應(yīng)用，碳化硅作為一種半導(dǎo)體，在電擊穿、帶隙能量、電子飽和速度和熱導(dǎo)率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硅。這使得 SiC MOSFET 能夠在更高的電壓、溫度和頻率下運(yùn)行，同時(shí)傳導(dǎo)更高的功率水平。此外，碳化硅是一種極其堅(jiān)硬且堅(jiān)固的材料，其莫氏硬度為 13，而碳化硼和金剛石的莫氏硬度分別為 14 和 15（圖 1）。

圖 1：碳化硅、氮化鎵和硅材料特性的比較。SiC 的物理特性使其能夠以比硅功率器件更高的效率運(yùn)行。

具體而言，碳化硅器件適用于比硅器件高得多的擊穿電壓，大約高出 5 到 10 倍。這個(gè)因素很重要，因?yàn)楦邏汗栝_關(guān)需要采用雙極電流傳導(dǎo)來降低導(dǎo)通電阻，這會(huì)導(dǎo)致更慢且更節(jié)能的開關(guān)過程。此外，這種對(duì) Si 晶體管的設(shè)計(jì)必要性導(dǎo)致導(dǎo)通拐點(diǎn)電壓，以允許最小的電流傳導(dǎo)，從而影響傳導(dǎo)損耗性能。

SiC 相對(duì)于 Si 的固有優(yōu)勢(shì)可歸因于 SiC 更大的帶隙能量。寬帶隙能量賦予 SiC 比 Si 高近 10 倍的擊穿電場(chǎng)，使其能夠以 10 倍更薄的漂移層和近 100 倍的摻雜濃度支持相同的額定電壓。這些因素使每單位芯片面積的導(dǎo)通電阻降低了大約 300 倍。在 650 V 或更高的額定電壓下，由于沒有少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)和尾電流損耗，SiC MOSFET 的開關(guān)速度比 Si IGBT 快得多，從而實(shí)現(xiàn)高頻操作和更小的系統(tǒng)尺寸。

與 Si 相比，SiC 還可以承受惡劣的環(huán)境條件，承受更高的溫度和機(jī)械應(yīng)變。這部分是由于 SiC 的熱導(dǎo)率比 Si 高得多，而且能帶隙更寬。因此，SiC 器件能夠在高于 200?C 的溫度下保持功能和完整性，而 Si 器件在超過 100?C 時(shí)會(huì)顯著退化，并且通常不會(huì)超過 150?C。這些特性使 SiC 器件更加可靠和堅(jiān)固，而無需進(jìn)行復(fù)雜的熱管理和電氣保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

新型 SiC MOSFET 的主要特性和增強(qiáng)功能

除了 SiC 在功率器件方面優(yōu)于 Si 的固有優(yōu)勢(shì)外，SiC MOSFET 技術(shù)本身也日趨成熟。一些最新一代的 SiC MOSFET 表現(xiàn)出低得多的靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻（R DS（on）或 R on），因?yàn)楦倪M(jìn)了雙溝槽結(jié)構(gòu)，減少了柵漏提供了更低的開關(guān)損耗電容和封裝創(chuàng)新，可降低成本并減少設(shè)備占用空間。

為了說明這項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)，我們將使用羅姆的第四代 SiC MOSFET 1作為示例。這些采用溝槽柵極技術(shù)開發(fā)的器件與相同芯片尺寸的第三代器件相比，R on降低了 40% 。這種改進(jìn)的好處是 SiC MOSFET 可以在更高的電流密度下運(yùn)行，同時(shí)最大限度地減少導(dǎo)通損耗。反過來，這些設(shè)備可以做得更小以滿足相同的系統(tǒng)功率要求，從而降低 SiC 組件的成本（圖 2）。

圖 2：羅姆第四代 1，200-V SiC MOSFET 與該公司現(xiàn)有器件的比較顯示，在同等芯片尺寸和更高電流能力下，RDS（on） 降低了 40%。

降低的 R on是更小的單元間距、改進(jìn)的 MOS 界面、晶圓背面研磨和其他性能增強(qiáng)設(shè)計(jì)策略的結(jié)果。這些策略的結(jié)果并沒有導(dǎo)致短路耐受時(shí)間 （SCWT） 的妥協(xié)。這很重要，因?yàn)?R on 的典型降低會(huì)導(dǎo)致短路事件期間芯片上的飽和電流增加和更高的散熱，相應(yīng)地更快的結(jié)溫上升和更短的 SCWT。

圖 3：羅姆的第四代 SiC MOSFET 改善了短路耐用性和導(dǎo)通電阻之間的權(quán)衡關(guān)系。

降低的 C rss是第四代這種特定 SiC MOSFET 技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。這導(dǎo)致 dV/dt 速度增加并降低 E on /E off。與第三代器件相比，該器件還表現(xiàn)出較低的 C rss /C iss比、較低的 E rr和較低的 V gs浪涌。除了最大限度地降低寄生導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)之外，新一代 SiC MOSFET 的改進(jìn)設(shè)計(jì)和單元結(jié)構(gòu)與上一代器件相比，開關(guān)損耗降低了約 50%。

圖 4：開關(guān)損耗比較 — 第四代 SiC MOSFET 與第三代 SiC MOSFET

開關(guān)損耗發(fā)生在器件從阻斷（關(guān)斷狀態(tài)）到導(dǎo)通（導(dǎo)通狀態(tài)）的轉(zhuǎn)換過程中，反之亦然。降低開關(guān)損耗非常重要，因?yàn)殚_關(guān)損耗直接影響設(shè)備效率和使用過程中的熱量積聚。憑借更好的開關(guān)損耗性能，設(shè)備可以在更高的頻率下運(yùn)行而不會(huì)超過散熱限制。這種額外的裕度通常為減小電感器和電容器組件尺寸開辟了可能性，并導(dǎo)致更緊湊的電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。

SiC SDIP 模塊提供最佳集成封裝

改進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更高的能效需要優(yōu)化的器件封裝，以最大限度地提高開關(guān)性能并減少組件占用空間。帶有附加驅(qū)動(dòng)源連接的分立式封裝以及具有緊湊尺寸和靈活內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 SDIP 電源模塊有助于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

對(duì)于具有獨(dú)立開爾文源極引腳的分立產(chǎn)品，主電流路徑上的源極雜散電感不再影響施加到芯片上的有效柵極電壓。2結(jié)果是顯著更快的 di/dt 速度和更低的開關(guān)損耗，與使用傳統(tǒng)封裝的成本差異最小。

圖 5：與傳統(tǒng)模塊或分立解決方案相比，具有靈活內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型 SDIP 模塊占用空間更小，成本更低。

SDIP 外形尺寸可實(shí)現(xiàn)緊湊型電源模塊，面向中等功率應(yīng)用，例如電動(dòng)汽車的車載充電器、太陽能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和不間斷電源。該模塊最多可在內(nèi)部集成六個(gè) SiC MOSFET，具有包括 H 橋、三相橋等在內(nèi)的拓?fù)溥x項(xiàng)。由于占用空間小、背面絕緣且組裝過程簡(jiǎn)單，這些封裝可以簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，與使用多個(gè)分立器件或傳統(tǒng)模塊相比，電路板設(shè)計(jì)更小、成本更低。

碳化硅的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)

通過不斷投資于碳化硅技術(shù)的研發(fā)，羅門已經(jīng)能夠提供碳化硅MOS和全碳化硅模塊，并實(shí)現(xiàn)溝槽碳化硅MOS的量產(chǎn)。這種不斷的發(fā)展有助于實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的性能，并通過降低成本和在襯底/晶圓工藝能力方面帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，幫助滿足 SiC 需求的增長(zhǎng)。

在羅姆，一個(gè)關(guān)鍵的組成部分是將晶圓直徑從 100 毫米增加到 150 毫米，再加上對(duì)更大 SiC 產(chǎn)能的投資。2009 年收購領(lǐng)先的 SiC 襯底供應(yīng)商 SiCrystal，幫助羅姆建立了具有一致質(zhì)量和供應(yīng)保證的垂直整合 SiC 生產(chǎn)體系。

電動(dòng)汽車和工業(yè)電力電子的最新趨勢(shì)正在朝著更高電壓和更高頻率的方向發(fā)展。這些應(yīng)用中更激烈的競(jìng)爭(zhēng)正在鼓勵(lì)電力系統(tǒng)制造商提供更緊湊、更高效的電力系統(tǒng)，同時(shí)不會(huì)犧牲可靠性。碳化硅功率器件通過大幅提升功率系統(tǒng)性能，非常適合滿足這些不斷發(fā)展的行業(yè)的需求。

審核編輯：郭婷