碳化硅二極管與硅相比的八大優(yōu)勢

寬帶隙半導體使許多以前使用硅（Si）無法實現(xiàn)的高功率應用成為可能。本博客比較了兩種材料的特性，并說明了為什么碳化硅二極管（SiC）在多個指標上具有明顯的優(yōu)勢。

1.在相同額定電壓下，SiC二極管比Si占用的空間更小

SiC具有~10倍的介電擊穿場強，對于給定的阻斷電壓，比硅更薄、更高的摻雜漂移層，使其電阻率更低，傳導性能更好。這意味著在相同的額定電壓下，SiC芯片可以小于其硅等效物。對于給定的電流和電壓額定值，具有較小芯片尺寸的另一個好處是器件自電容更低，相關(guān)電荷更低。這與SiC更高的電子飽和速度相結(jié)合，可實現(xiàn)比Si更快的開關(guān)速度和更低的損耗。

2.碳化硅二極管表現(xiàn)出更好的熱性能

SiC的導熱性比Si好近3.5倍，使其每單位面積可以耗散更多的功率（熱量）。雖然封裝可能是連續(xù)運行期間的限制因素，但SiC提供的顯著額外裕量為易受瞬態(tài)熱事件影響的應用帶來了更大的信心。此外，能夠承受更高的溫度意味著SiC二極管提供更堅固的性能和更好的可靠性，而不會有熱失控的風險。

3.SiC二極管的反向恢復損耗幅度較低，可大大提高功率轉(zhuǎn)換器效率

SiC二極管是單極肖特基金屬半導體器件，其中傳導僅通過多數(shù)載流子（電子）。這意味著當二極管正向偏置時，結(jié)耗盡層中幾乎不會存儲任何電荷。相比之下，P-N結(jié)硅二極管是雙極性的，并存儲了在向反向偏置過渡期間必須去除的電荷。這會導致反向電流尖峰，這意味著二極管（以及任何相關(guān)的開關(guān)晶體管和緩沖器）中的功率損耗更高，并且隨著開關(guān)頻率的增加，功率損耗會惡化。SiC二極管在反向偏置下會因自身電容放電而表現(xiàn)出反向電流尖峰，但這可能比P-N結(jié)二極管低一個數(shù)量級，這意味著不僅二極管本身而且在相應的開關(guān)晶體管中消耗的功率更少。

4.SiC二極管的正向壓降和反向漏電流與Si相匹配

SiC二極管的最大正向壓降可與最好的超快Si類型相媲美，并且正在不斷改進（對于更高的阻斷電壓額定值，差異很小）。盡管是肖特基型，但在反向偏置下，高壓SiC二極管的反向漏電流和由此產(chǎn)生的功耗相對較低，類似于相同電壓和電流等級的超快Si二極管。由于沒有反向電荷恢復效應，SiC二極管和超快Si二極管之間的正向壓降和反向漏電流變化引起的任何微小的耗散差異都會被SiC動態(tài)損耗的改善所抵消。

5.SiC二極管恢復電流在整個溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，降低功率損耗

硅二極管的恢復電流和時間隨溫度變化而變化很大，使得電路優(yōu)化變得困難，但值得注意的是，對于SiC，不存在這種變化。在某些電路中，如“硬開關(guān)”功率因數(shù)校正級，充當升壓整流器的硅二極管可以控制損耗，從高電流下的正向偏置到典型單相交流輸入的反向偏置（通常約為400 V DC母線電壓）。SiC二極管的特性可以顯著提高該應用的效率，并減輕硬件設計人員的設計考慮。

6.碳化硅二極管可以并聯(lián)，沒有熱失控的危險

與Si相比，SiC二極管的另一個優(yōu)點是它們可以并聯(lián)連接，因為它們的正向壓降具有正溫度系數(shù)（在I-V曲線的應用相關(guān)區(qū)域），這有助于糾正任何電流不平衡。相比之下，當器件并聯(lián)時，Si P-N二極管的負溫度系數(shù)會導致熱失控，需要大量降額或額外的有源電路來迫使器件分流。

7.碳化硅二極管具有比硅更好的電磁兼容性（EMI）性能

SiC二極管軟開關(guān)行為的另一個好處是顯著降低了EMI。當硅二極管用作開關(guān)整流器時，反向恢復電流（具有寬頻譜）中潛在的瞬息尖峰會導致傳導和輻射發(fā)射。這些會產(chǎn)生系統(tǒng)干擾（通過各種耦合路徑），可能導致超過系統(tǒng)EMI限值。在這些頻率下，由于這種雜散耦合，濾波可能很復雜。此外，設計用于衰減開關(guān)基波和低諧波頻率（通常低于1 MHz）的EMI濾波器通常具有高自電容，使其在較高頻率下效率較低。緩沖器可用于快速恢復硅二極管，以限制邊沿速率和阻尼振蕩，從而減少其他組件上的應力并降低EMI。然而，緩沖器必須耗散大量能量，從而降低系統(tǒng)效率。

8.碳化硅二極管的正向恢復功率損耗低于硅

正向恢復是硅二極管中經(jīng)常被忽視的功率損耗來源。在從關(guān)斷狀態(tài)過渡到導通狀態(tài)期間，二極管壓降會暫時增加，產(chǎn)生過沖、振鈴和與P-N結(jié)初始較低電導率相關(guān)的額外損耗。然而，SiC二極管中沒有這種效應，這意味著正向恢復損失不是問題。

審核編輯：湯梓紅