SiC器件與Si技術的對比優(yōu)勢及在PFC和Boost轉換器、硬/軟開關電路、電動汽車牽引逆變器等應用中的趨勢

SiC的應用始于2000年，最早在PFC中采用了SiC JBS二極管。隨后是在光伏行業(yè)中，開始使用SiC二極管和FET。但是，最近在EV車載充電器和DC-DC轉換器相關領域應用的激增，顯著推動了SiC需求的增長。電動汽車逆變器、650V設備的新興應用以及服務器電源和5G電信整流器等的應用有望推動SiC需求的快速增長。本文介紹了這些SiC器件相對于現(xiàn)有Si技術的優(yōu)勢。

SiC器件的優(yōu)點

與IGBT相比，使用SiC FET的優(yōu)勢已得到充分證明。較寬的4H-SiC帶隙允許形成電壓阻擋層，理想情況下，其電阻要比相應的單極硅器件小100倍。SiC的導熱系數(shù)也是硅的3倍。現(xiàn)在，可在650-1700V范圍內以平面結構和溝槽結構提供性能不斷提高的SiC MOSFET，但仍然存在MOS溝道遷移率低的問題。還可以使用基于SiC JFET的共源共柵FET，由于SiC JFET通道具有更高的整體遷移率，因此芯片尺寸更小。在本文的其余部分中，除非有必要進行區(qū)分，否則我們將所有這些SiC晶體管都稱為SiC FET。在這兩者之間，因為它們在大多數(shù)情況下可以互換使用的。

圖1：第一象限傳導中SiC FET與IGBT的導通狀態(tài)壓降

在1200V及更高電壓下，硅MOSFET取代了IGBT，IGBT在高負載電流下提供了更低的傳導損耗，但是由于更低的傳導損耗來自電導率調制，因此帶來了開關損耗的損失。IGBT通常與反并聯(lián)快速恢復PiN二極管一起使用，這也會造成開關損耗，因為只有清除這些二極管中存儲的電荷，才能使它們保持截止狀態(tài)電壓。

圖2：與IGBT，聯(lián)合 SiC FET 和典型SiC MOSFET一起使用的，不使用反并聯(lián)肖特基二極管的Si FRD的典型傳導特性

PFC和Boost轉換器中的SiC二極管

在PFC電路和升壓轉換器中廣泛使用SiC二極管，因為不存在存儲的電荷會導致FET中的E(ON)損耗大大降低，無論是在400V總線電壓下使用650V超結MOSFET，還是在600V-1500V總線電壓下使用快速IGBT。 實際上，使用SiC JBS二極管的優(yōu)勢隨電壓升高而增加。即使不使用SiC FET作為主要開關器件，這些二極管也能提供提高效率和提高工作頻率的途徑，這也為這些成熟產(chǎn)品提供了超過1億美元的市場。

硬開關電路中的SiC優(yōu)勢

表1列出了評估硬交換應用的交換技術時感興趣的關鍵數(shù)據(jù)手冊參數(shù)。讓我們舉幾個重要的例子。對于服務器電源，根據(jù)功率水平，可以使用總線電壓為400V的電信整流器和車載充電器，圖騰柱PFC拓撲或三相有源前端整流器。為了提高功率密度并降低BOM成本，需要更高的開關頻率以減小電感器尺寸。高E(ON)損耗會阻止硅超結FET在連續(xù)導通模式（CCM）中使用，即使是由于壽命過長而降低Q_RR，由于過度損耗和不良的恢復特性，它們也無法使用。所有SiC FET解決方案均具有出色的低Q_RR二極管，因此大大減少了E_on損耗。與開爾文源封裝（如TO247-4L，D2PAK-7L和DFN8x8）一起使用時，設計人員可以將硬開關頻率提高2-3倍，這比硅產(chǎn)品高。它還有助于所有SiC FET元件具有較低的TCR，即，導通電阻隨溫度的增加較小。

表1：相關關鍵參數(shù)

SiC在軟開關電路中的優(yōu)勢

在服務器電源和電信整流器以及EV車載充電器和DC-DC轉換器中，廣泛使用相移全橋和LLC電路進行DC-DC轉換。通常，寬帶隙開關的價值，尤其是在這些應用中基于SiC的FET的價值來自幾個主要特征。首先，SiC FET的Coss低，這允許導通時快速V_DS躍遷，然后允許使用高開關頻率或寬輸入/輸出電壓范圍。其次，可以將軟導通開關的截止損耗估算為測得的硬開關關斷能量減去存儲在輸出電容中的能量，表示為E_OFF— E_OSS。如圖2所示，對于UF3C120040K4S等SiC FET，關斷能量非常低。第三，低R_DS（ON）值與高額定電壓相結合，使DC-DC轉換器可以在800V的電壓下工作。第四，SiC FET具有低反向恢復電荷和非常高的電壓壓擺率能力，范圍為100至200 V / ns。這實際上消除了dv / dt引起的故障，而無需降低載波壽命。最后，與SiC MOSFET和GaN HEMT的3至5 V相比，United SiC FET特別具有低的本體二極管壓降，通常僅為1.5V。隨著頻率的升高，體二極管導通的時間百分比增加，從而使空載時間內二極管的導通損耗更加明顯。

圖3：各種SiC FET選項的有效關斷損耗（E OFF  – E OSS）。50A，800V裝置的損失在100μJ，該裝置僅在該電流在PFSB使用時產(chǎn)生關斷100kHz下的損失為10W。在較低的電流下，這些低損耗允許頻率高達500kHz

SiC對電動汽車牽引逆變器的好處

硬開關中SiC FET的所有損耗優(yōu)勢都可以使EV牽引逆變器受益，但如果電動機驅動器的工作頻率較低，則主要優(yōu)勢必須來自較低的傳導損耗。這已經(jīng)在圖1a和1b中顯示出來，這是由于每單位芯片面積的電阻較低，并且與IGBT不同，正向傳導中沒有拐點電壓，并且可能存在反向同步傳導。

EV應用所需的開關的關鍵特性是承受各種類型的短路故障。這要求開關承受整個總線電壓（對于650V器件為400V，對于1200V器件為800V），同時在柵極完全導通時同時傳導高電流，持續(xù)2-6μs的時間，直到去飽和電路檢測到在施加0.5至2μs的消隱時間后出現(xiàn)短路情況。然后，驅動程序將開關慢慢關閉。在此期間，開關可能會在幾微秒內經(jīng)歷300-500°C的溫度上升，并且仍必須安全地關閉。此外，交換機最多應處理100或1000個此類事件，而設備參數(shù)不會發(fā)生變化。

盡管此特性是為IGBT提供的，但SiC MOSFET和GaN HEMT難以達到相同的水平。United SiC共源共柵FET具有獨特的能力，能夠以最小的芯片尺寸或導通電阻折衷來安全地處理重復性短路。這源于常導通JFET的固有特性，該器件是導電器件，沒有柵極氧化物退化，并且可以承受比SiC MOSFET高的溫度和電場峰值。此外，由于自加熱導致的通道電導的減小迅速減小了器件電流，減慢了加熱速率，并使器件在失效之前可以持續(xù)更長的時間。

SiC器件在這種模式下通常更堅固，因為這些垂直器件會吸收其體積中的熱量，而GaN HEMT是在超薄二維電子氣中產(chǎn)生熱量的橫向器件。

SiC在線性模式應用中的優(yōu)勢

圖3顯示了SiC常開JFET，SiC MOSFET和Si MOSFET 的歸一化V_TH對溫度特性。顯然，只有常導通的SiC FET才能避免V_TH隨溫度下降。如果將某個設備用作電流源，或者甚至是在故意緩慢開關的固態(tài)斷路器中，則將時間花費在低電流，低(V_GS— V_TH)的范圍內。V_DS高會導致器件的V TH負溫度系數(shù)容易受電流絲化影響，并且在比預期低得多的電壓下失效。SiC JFET并非如此，這一事實已通過實驗驗證。因此，SiC JFET在形成電流源，電子負載等方面變得非常有用，在這種情況下，它們必須在這種低電流高電壓耗散狀態(tài)下偏置，而不會破壞到其額定擊穿電壓。

SiC對電路保護的好處

該V中的事實TH不隨溫度降低，以優(yōu)良的限流和SiC JFET的短路能力，和SiC JFET器件的耐受4X比破壞之前硅器件更高的能量耗散能力，使得這些器件在電路斷路器非常有用，浪涌電流限制器和負載開關。JFET 在給定的芯片尺寸下具有最低的可用R_DS（ON），具有較低的工作傳導損耗，而不會損害這些器件承受重復性過應力事件的堅固性。

柔性高壓FET的新穎方法

UnitedSiC展示了針對高壓FET的超級共源共柵方法，其中通過串聯(lián)連接許多正常導通的JFET與低壓Si MOSFET和獨特的偏置網(wǎng)絡構建了非常高的電壓開關，從而產(chǎn)生了可用作3端子開關。針對200A，6500V半橋模塊的最新開發(fā)成果已經(jīng)由5級串聯(lián)的1700V JFET構成。該器件可以通過低Qg的單個0至12V柵極驅動器進行切換–與串聯(lián)的IGBT或SiC MOSFET一樣，不需要單獨的柵極驅動器。另一個針對低電流開關的演示將supercascode技術應用于40kV單開關。由于較低電壓的JFET技術更成熟，并且原材料成本更低，這為設計人員提供了低成本解決方案的選擇，最高可達以前無法達到的電壓。另外，如果需要特定的電壓或電流類別，可以使用United SiC共源共柵和JFET器件輕松完成。

圖3：Si MOSFET，SiC JFET和Si MOSFET的V TH隨溫度的標準化變化情況。負斜率會導致| V_GS— V_TH | 低時的不穩(wěn)定工作。在高V_DS下SiC常導JFET 不存在此問題

結論

我們在本文中描述了很多基礎知識，簡要描述了SiC FET和基于SiC JFET的解決方案在各種應用中看到的優(yōu)勢。SiC FET不僅可以改善高頻DC-DC和AC-DC應用的設計，而且由于其寬的柵極驅動范圍，描述了EV逆變器中UnitedSiC FET從低傳導損耗到強大的短路處理能力的優(yōu)勢。以及主動模式下SiC JFET技術以及電路保護應用（尤其是用于高電壓和大功率的應用）以及使用較低電壓JFET構建模塊構建靈活的高電壓大電流開關的獨特優(yōu)勢。