有关电力应用中碳化硅的知识

碳化硅 (SiC) 是一种由硅 (Si) 和碳 (C) 组成的半导体化合物，属于宽带隙 (WBG) 材料家族。它的物理键非常强，使半导体具有很高的机械、化学和热稳定性。宽带隙和高热稳定性使 SiC器件能够在高于硅的结温下使用，甚至超过 200°C。碳化硅在功率应用中的主要优势在于其低漂移区电阻，这是高压功率器件的关键因素。[这里是“关于 GaN 的 10 件事”]

由于结合了优异的物理和电子特性，基于 SiC 的功率器件正在推动电力电子技术的彻底变革。尽管这种材料早已为人所知，但它作为半导体的使用是相对较新的，这在很大程度上要归功于大型和高质量晶片的可用性。近几十年来，人们一直致力于开发特定且独特的高温晶体生长工艺。尽管 SiC 具有不同的多晶型晶体结构（也称为多型），但 4H-SiC 多型六方晶体结构最适合高功率应用。

碳化硅的主要特性是什么？

硅与碳的结合使这种材料具有出色的机械、化学和热性能，包括：

高导热性

低热膨胀和优异的抗热震性

低功率和开关损耗

高能效

高工作频率和温度（工作温度高达 200°C 结）

小芯片尺寸（具有相同的击穿电压）

本征体二极管（MOSFET器件）

出色的热管理，可降低冷却要求

使用寿命长

碳化硅在电子领域有哪些应用？

碳化硅是一种非常适合电力应用的半导体，这首先要归功于它能够承受高电压，比硅高出十倍。基于碳化硅的半导体具有更高的热导率、更高的电子迁移率和更低的功率损耗。碳化硅二极管和晶体管也可以在更高的频率和温度下工作，而不会影响可靠性。SiC器件的主要应用，如肖特基二极管和FET/MOSFET晶体管，包括转换器、逆变器、电源、电池充电器和电机控制系统。

为什么 SiC 在功率应用中胜过 Si？

尽管是电子产品中使用最广泛的半导体，但硅开始显示出一些局限性，尤其是在高功率应用中。这些应用中的一个相关因素是半导体提供的带隙或能隙。当带隙高时，它使用的电子设备可以更小、运行更快、更可靠。它还可以在比其他半导体更高的温度、电压和频率下工作。虽然硅的带隙约为 1.12eV，但碳化硅的带隙值约为 3.26eV 的近三倍。

为什么 SiC 可以承受如此高的电压？

功率器件，尤其是 MOSFET，必须能够处理极高的电压。由于电场的介电击穿强度大约是硅的十倍，SiC 可以达到非常高的击穿电压，从 600V 到几千伏。SiC 可以使用比硅更高的掺杂浓度，并且漂移层可以做得很薄。漂移层越薄，其电阻越低。理论上，给定高电压，单位面积漂移层的电阻可以降低到硅的1/300。

为什么 SiC 在高频下的性能优于 IGBT？

在大功率应用中，过去主要使用 IGBT 和双极晶体管，目的是降低在高击穿电压下出现的导通电阻。然而，这些器件会提供显着的开关损耗，从而导致发热问题限制了它们在高频下的使用。使用 SiC，可以制造实现高电压、低导通电阻和快速运行的器件，例如肖特基势垒二极管和 MOSFET。

哪些杂质用于掺杂 SiC 材料？

在其纯净形式中，碳化硅的行为类似于电绝缘体。通过控制添加杂质或掺杂剂，SiC 可以表现得像半导体。P型半导体可以通过掺杂铝、硼或镓来获得，而氮和磷的杂质会产生N型半导体。根据红外辐射、可见光和紫外线的电压或强度等因素，碳化硅具有在某些条件下导电但在其他条件下不导电的能力。与其他材料不同，碳化硅能够控制在宽范围内制造器件所需的 P 型和 N 型区域。由于这些原因，SiC 是一种适用于功率器件的材料，并且能够克服硅提供的限制。

SiC 如何实现比硅更好的热管理？

另一个重要参数是热导率，它是半导体如何散发其产生的热量的指标。如果半导体不能有效散热，则会对器件可以承受的最大工作电压和温度进行限制。这是碳化硅优于硅的另一个领域：碳化硅的热导率为 1490 W/mK，而硅的热导率为 150 W/mK。

SiC 反向恢复时间与 Si-MOSFET 相比如何？

SiC MOSFET 与其硅对应物一样，具有内部体二极管。体二极管提供的主要限制之一是不希望的反向恢复行为，当二极管在承载正正向电流时关闭时会发生这种情况。因此，反向恢复时间 (trr) 成为定义 MOSFET 特性的重要指标。图 比较了 1000V Si 基 MOSFET 和 SiC 基 MOSFET 的 trr。可以看出，SiC MOSFET 的体二极管速度极快：trr 和 Irr 的值小到可以忽略不计，能量损失 Err 大大降低。

图 ：反向恢复时间比较（图片：Rohm）

为什么软关断对于短路保护很重要？

SiC MOSFET 的另一个重要参数是短路耐受时间 (SCWT)。由于 SiC MOSFET 占用的芯片面积非常小，并且具有高电流密度，因此它们承受可能导致热断路的短路的能力往往低于硅基器件。以 TO247 封装的 1.2kV MOSFET 为例，在 Vdd=700V 和 Vgs=18V 时的短路耐受时间约为 8-10 μs。随着 Vgs 降低，饱和电流降低，耐受时间增加。随着 Vdd 降低，产生的热量更少，耐受时间更长。由于关断 SiC MOSFET 所需的时间极短，因此当关断率 Vgs 较高时，高 dI/dt 会导致严重的电压尖峰。因此，应使用软关断来逐渐降低栅极电压，避免出现过压峰值。

为什么隔离式栅极驱动器是更好的选择？

许多电子设备既是低压电路又是高压电路，它们相互连接以执行控制和供电功能。例如，牵引逆变器通常包括低压初级侧（电源、通信和控制电路）和次级侧（高压电路、电机、功率级和辅助电路）。位于初级侧的控制器通常使用来自高压侧的反馈信号，如果不存在隔离栅，则很容易受到损坏。隔离栅将电路从初级侧电隔离到次级侧，形成单独的接地参考，实现所谓的电流隔离。这可以防止不需要的 AC 或 DC 信号从一侧传输到另一侧，从而损坏电源组件。

审核编辑：汤梓红