浅析SiC MOSFET的创新价值

自 1891 年被发现以来，作为材料，SiC（碳化硅）在人类社会的应用史已经超过百年的时间，从最开始的磨料，到后来的汽车制动盘，再到发光二极管（LED），应用于电力电子设备则是近些年的热潮。

SiC 在半导体领域的应用主要面向功率二极管和功率开关。其中功率二极管包括结势垒肖特基（JBS）二极管、PiN 二极管和超结二极管；功率开关主要包括金属氧化物半导体场效应开关管（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、双极型开关管（BJT）等。今天我们来重点说一说 SiC MOSFET。

突破 Si 器件的物理极限

当前，产业界已经基本达成一个共识：Si 材料已经触碰到天花板，尤其是在高耐压、高频等应用场景中。作为第三代半导体材料，SiC 具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势，所以又叫宽禁带半导体材料。

近十年，随着 MOSFET 沟道迁移率和氧化物可靠性不断提升，SiC MOSFET 的商业化进程开始加快，产业链也日趋成熟。

以下几个方面是 SiC MOSFET 和传统 Si MOSFET/IGBT 对比的一些优势：

首先是导通电阻 Ron。Si 材料中越是高耐压器件，单位面积的导通电阻越大。SiC 的绝缘击穿场强是 Si 的 10 倍，所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。MOSFET 的导通电阻主要包括多个电阻的串联，对于 SiC MOSFET 来说，其漂移层电阻比具有相同阻断电压的 Si MOSFET 低 100 倍以上。

在这样的情况下，我们看到过往 600V 以上的应用更多是采用 Si IGBT。IGBT 通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比 MOSFET 要小。但是，由于少数载流子的积聚，IGBT 在 Turn-off 时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。

开关损耗就是我们需要讲到的第二点。实际上，开关损耗主要体现在三个方面：Eon（开关导通损耗）、Eoff（开关关断损耗）和 Err（恢复损耗）。由于 SiC 器件不受温度影响，可以快速恢复，因此全 SiC 功率模块在 Eon 表现上相较于 IGBT 会下降很多；刚刚有提到，SiC MOSFET 的最大特点是原理上不会产生尾电流，这让 SiC MOSFET 的 Eoff 与 IGBT 相比可以减少约 90%；至于 Err，由于 SiC MOSFET 几乎没有 Irr（反向恢复电流），因此 Err 非常非常微小。

在此，我们以arrow.cn目前在售的英飞凌 SiC MOSFET 为例，IMW120R045M1XKSA1这颗器件和同为 1.2kV 的 IGBT 相比，在 25℃结温下，MOSFET 关断损耗大约是 IGBT 的 20%；在 175℃的结温下，MOSFET 关断损耗仅有 IGBT 的 10%（关断 40A 电流）。

IMW120R045M1XKSA1

在此需要特别指出的是，IGBT 产生的尾电流会随着温度升高而增加，这就需要更多的散热设备，而 SiC MOSFET 几乎不受温度的影响。另外，相对较高的开关损耗也让 Si IGBT 的开关频率只能限制在 20KHz 以下的区域，否则开关损耗引起的发热会致使结点温度（Tj）超过额定值，而 SiC MOSFET 可以工作在 50KHz 以上的区域，且高频化可以帮助降低器件体积。

再看体二极管，从 MOSFET 的结构上讲，体二极管是由源极 - 漏极间的 PN 结形成的，也被称为“寄生二极管”或“内部二极管”。
 

SiC MOSFET 的开关损耗低也有体二极管的功劳，其恢复损耗非常小，而 Si MOSFET 中体二极管的恢复电流通常非常大，会产生很大的损耗，而且在高温下该损耗有进一步增大的趋势。

SiC MOSFET 的体二极管不仅具有更好的反向恢复特性，其正向特性也很出色。SiC 的带隙更宽，Vf（正向电压）比 Si MOSFET 大得多，不需要串联低电压阻断二极管，减少了元器件数量，也降低了导通损耗。

做一个总结：SiC 材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大等特性，SiC MOSFET 能够标准化导通电阻，拥有更低的开关损耗和出色的体二极管特性，开关频率可以达到 50KHz 以上，且高频化可以帮助降低器件体积。

为产业创新赋能

以上大致介绍了作为器件 SiC MOSFET 有哪些突出的优势。接下来，我们关注一下应用端，看看 SiC MOSFET 的创新价值如何在实际应用中兑现。

当前，SiC MOSFET 热门应用领域之一是新能源汽车，主要应用包括充电桩、车载充电机和电驱动系统。由于 SiC MOSFET 开关损耗小，可以进行高频开关动作，实现了滤波器等无源器件的小型化，进而提高了系统的功率密度，这对新能源汽车实现驱动模块的小型化和轻量化有重要意义。在这方面，特斯拉一直走在行业的前列，除了 Model 3 车型采用 SiC MOSFET 来提升电驱系统的工作效率及充电效率外，欧洲的 350KW 超级充电站也正在加大 SiC 器件的采用。

arrow.cn 在售的来自安森美半导体的NVHL080N120SC1就是一款车规级 SiC MOSFET，符合 AEC-Q101，能够承受高浪涌电流，并提供高的雪崩能力和强固的短路保护。可以用于汽车辅助电机驱动、车载充电器，以及用于电动汽车 (EV)/ 混合动力电动汽车 (HEV) 的直流 / 直流转换器。

NVHL080N120SC1

NXHL080N120SC1 性能图

电源是功率器件一直以来持续关注的领域，目前包括服务器 / 数据中心电源、通讯电源、工业电源以及能源存储都有应用到 SiC MOSFET，且市场规模增长迅猛。正如我们在上面器件优势中讲到的，由于 SiC MOSFET 导通电阻随温度变化较小，高温情况下导通阻抗很低，能让电源在恶劣的环境下很好地工作。

arrow.cn 在售的 Wolfspeed / Cree C3M0120100K便针对三相工业电源进行了优化，通过提供独特的器件解决了诸多电源设计挑战。

C3M0120100K

C3M0120100K采用增强型四引脚 TO-247-4 封装，得益于 Kelvin 栅极连接，具有较低的开关损耗并可最大限度地降低栅极电路振铃。这样可增加爬电距离，从而最好地支持较高电压分立式器件的运行。

当然，电力电子技术在全球电力基础设施中发挥着关键作用，上面只是挑两个典型应用来解读。目前，在 SiC MOSFET 产业链中，SiC 单晶衬底片、SiC 外延片、SiC 功率器件、功率模块和典型应用都已经日趋成熟，在可再生能源、新能源、5G、工业控制等诸多领域，SiC MOSFET 有着光明的未来。