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。