關(guān)于碳化硅半導(dǎo)體的八大誤區(qū)

隨著科技的發(fā)展，碳化硅半導(dǎo)體已經(jīng)逐漸成為電子產(chǎn)業(yè)中的重要角色。無(wú)論是在能源管理、汽車電子還是在高溫、高功率的應(yīng)用環(huán)境中，它都展現(xiàn)出了令人矚目的性能。但正如每一樣新興技術(shù)，隨之而來(lái)的總是一系列關(guān)于它的誤區(qū)和謠言。這些誤解不僅可能誤導(dǎo)消費(fèi)者，也會(huì)影響企業(yè)的決策和投資方向。

為此，我們特地為您匯總了關(guān)于碳化硅半導(dǎo)體的十大誤區(qū)，希望能為大家提供一個(gè)更為清晰和準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。無(wú)論你是此領(lǐng)域的研究者、從業(yè)者，還是對(duì)科技感興趣的普通讀者，希望本文都能為您帶來(lái)一些新的啟示：

誤區(qū)一：SiC解決方案太貴

在早期，由于SiC半導(dǎo)體是相對(duì)較新的技術(shù)，并且生產(chǎn)工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體更加復(fù)雜和成本更高，因此SiC解決方案的價(jià)格通常比硅基解決方案更高。這導(dǎo)致了一個(gè)普遍的觀念，即SiC解決方案是昂貴的。業(yè)界有個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，在相同額定值下，SiC基器件的成本約為硅基器件的3倍。

系統(tǒng)級(jí)考慮：盡管單個(gè)SiC器件的成本可能高于相應(yīng)的硅器件，但必須從整體系統(tǒng)的角度來(lái)考慮。例如，使用SiC器件可能會(huì)減少冷卻和封裝的需要，或者可以使用更小的電感和電容。這意味著總體系統(tǒng)成本可能更低。

性能與效率：SiC器件在許多應(yīng)用中提供了更高的效率，這意味著在其整個(gè)使用壽命中，它們可能會(huì)節(jié)省更多的能源。因此，從長(zhǎng)期運(yùn)行成本的角度看，SiC可能提供更好的性價(jià)比。

生產(chǎn)規(guī)模與技術(shù)成熟度：隨著SiC技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其生產(chǎn)成本已經(jīng)逐漸降低。這使得SiC解決方案在許多應(yīng)用中成為一種經(jīng)濟(jì)有效的選擇。

應(yīng)用特點(diǎn)：在某些高壓、高溫或高頻應(yīng)用中，SiC提供了傳統(tǒng)硅技術(shù)難以匹敵的性能。在這些應(yīng)用中，即使SiC的初始成本較高，其所帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)也使其成為首選。

誤區(qū)二：SiC半導(dǎo)體沒(méi)有完善的生態(tài)系統(tǒng)

SiC半導(dǎo)體在其初期確實(shí)沒(méi)有像成熟的硅半導(dǎo)體技術(shù)那樣完整的配套解決方案和生態(tài)系統(tǒng)。由于是新興技術(shù)，對(duì)于SiC的設(shè)計(jì)工具、測(cè)試設(shè)備、封裝技術(shù)等都還處于發(fā)展階段，這導(dǎo)致了人們對(duì)SiC半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)完整性的擔(dān)憂。

就具體的SiC供應(yīng)商來(lái)看，據(jù)Yole報(bào)道，意法半導(dǎo)體(ST)、Wolfspeed、安森美(Onsemi)、英飛凌科技(Infineon)和羅姆半導(dǎo)體(Rohm)等公司都已紛紛宣布自己的收入目標(biāo)。盡管所選擇的路線不同，但他們的商業(yè)模式——IDM(集成器件制造商)——具有明顯的相似性。

過(guò)去幾年，這些主要參與者重塑了SiC生態(tài)系統(tǒng)(圖2)。Yole認(rèn)為，有兩個(gè)主要趨勢(shì)在影響其供應(yīng)鏈：晶圓制造和模塊封裝的垂直集成。在此背景下，汽車OEM等終端系統(tǒng)公司將能更快地采用SiC，并且在管理市場(chǎng)上多家晶圓供應(yīng)商的供應(yīng)上也能更靈活。

目前，市場(chǎng)上已有多種商用SiC器件及柵極驅(qū)動(dòng)器可供選擇，并具有多種封裝形式，可滿足多種應(yīng)用的需求。隨著這些供應(yīng)商不斷加大支持力度，包括應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)、參考設(shè)計(jì)、應(yīng)用筆記和仿真模型/工具，SiC技術(shù)及其生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)不斷完善。

誤區(qū)三：SiC只能用來(lái)代替硅IGBT

根據(jù)氮化鎵(GaN)和SiC的廣泛宣傳，有人認(rèn)為，GaN主要用來(lái)替代硅MOSFET，而SiC則只能用來(lái)替代IGBT(圖3)。實(shí)際上，SiC MOSFET也可以用來(lái)替代硅MOSFET。

這可以從兩個(gè)重要指標(biāo)來(lái)看：RDS(ON)·Qg品質(zhì)因數(shù)(FOM)和反向恢復(fù)電荷(Qrr)。FOM=RDS(ON) ·Qg這個(gè)指標(biāo)將導(dǎo)通損耗與柵極電荷聯(lián)系起來(lái)——柵極電荷會(huì)在柵極驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生與頻率有關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗，但這些損耗只有在非常高的開(kāi)關(guān)速率下才變得重要，因?yàn)镾iC MOSFET的Qg非常低。這個(gè)指標(biāo)可以很好地反映開(kāi)關(guān)應(yīng)用中MOSFET的效率。

Qrr是當(dāng)MOSFET體二極管處于正向偏置時(shí)，該二極管的PN結(jié)所累積的電荷。在大多數(shù)應(yīng)用中，電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì)流過(guò)體二極管兩次而導(dǎo)致電荷累積。之后的電荷釋放，要么是在MOSFET內(nèi)部，要么是以附加電流(Irr)的形式短暫地流過(guò)高側(cè)MOSFET，而在系統(tǒng)中造成額外的損耗。

SiC MOSFET的這兩個(gè)指標(biāo)比Si MOSFET更優(yōu)，因此也能在圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)和同步升壓等硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中對(duì)硅MOSFET形成很好的替代。

誤區(qū)四：SiC的魯棒性不如硅IGBT

在這里，"魯棒性"是一個(gè)工程術(shù)語(yǔ)，通常用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)或部件在面對(duì)不確定性、干擾或異常條件時(shí)的穩(wěn)定性或可靠性。

事實(shí)并非如此。這可以從兩個(gè)方面來(lái)看。一方面，與Si材料相比，SiC材料擁有更寬的禁帶寬度，因此SiC MOSFET具有更好的抗雪崩能力。這是因?yàn)镾iC器件的熱生載流子濃度比硅基器件要小得多。

另一方面，雖然SiC器件由于其尺寸較小，因此其短路耐受時(shí)間要比IGBT短，但可以通過(guò)使用帶短路保護(hù)的SiC柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)確保系統(tǒng)的耐用性。

誤區(qū)五：SiC不適合高頻應(yīng)用

可能是由于SiC常被用于低頻大功率應(yīng)用，例如10至20kHz的電動(dòng)汽車牽引逆變器，因此有人就認(rèn)為它不太適合高頻應(yīng)用，而認(rèn)為GaN才是快速開(kāi)關(guān)的理想之選。

然而，SiC技術(shù)一直在快速發(fā)展。最近，其裸片面積已顯著減小，從而增強(qiáng)了其高頻(100kHz以上)工作性能。因此，SiC器件可應(yīng)用于100kHz的圖騰柱PFC和200至300kHz的軟開(kāi)關(guān)LLC等應(yīng)用。

溝槽和共源共柵等新興SiC MOSFET技術(shù)，還可進(jìn)一步提高高頻應(yīng)用的性能。

誤區(qū)六：SiC只適合電動(dòng)汽車

由于SiC在電動(dòng)汽車牽引逆變器中取得了成功，所以有些人認(rèn)為它只適合高端小眾應(yīng)用。然而，幾乎所有應(yīng)用領(lǐng)域都需要提高功率密度和工作效率，這也就意味著SiC可以在電動(dòng)汽車車載充電器(OBC)、太陽(yáng)能光伏(PV)模塊等可再生能源以及云計(jì)算等廣泛應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

誤區(qū)七：SiC面臨電動(dòng)汽車、光儲(chǔ)等應(yīng)用的電壓升高問(wèn)題

SiC半導(dǎo)體器件，特別是SiC MOSFET，具有高頻、高效率和高溫工作的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于650V以下的應(yīng)用，如AC-DC電源轉(zhuǎn)換，SiC可以提供更高的效率和更小的體積。

電動(dòng)汽車：隨著技術(shù)進(jìn)步和對(duì)更大續(xù)航里程的需求，電動(dòng)汽車的電池電壓正從400V增加到800V。更高的電壓可以提供更大的續(xù)航里程，并允許使用更小的電流進(jìn)行充電，從而減少導(dǎo)線損耗并提高充電效率。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)：為了提高轉(zhuǎn)換效率和降低系統(tǒng)成本，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的輸入電壓也在增加，從600V增加到1,500V。

隨著這些應(yīng)用中電壓的提高，需要半導(dǎo)體器件有更高的擊穿電壓。擊穿電壓是指半導(dǎo)體器件可以耐受的最大電壓，超過(guò)這個(gè)電壓可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞。

為了滿足市場(chǎng)對(duì)更高擊穿電壓的需求，許多半導(dǎo)體制造商都開(kāi)始研發(fā)和推出適應(yīng)更高電壓的SiC MOSFET器件。同時(shí)，為了保持SiC的高頻和高效率特點(diǎn)，這些新器件還進(jìn)行了針對(duì)快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用的優(yōu)化。

誤區(qū)八：SiC柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)復(fù)雜，必須使用負(fù)電壓關(guān)斷

由于其特有的材料特性，SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)的硅MOSFET有所不同。

柵極驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)用于控制MOSFET開(kāi)關(guān)的電路。對(duì)于SiC MOSFET來(lái)說(shuō)，為了確保其正確并可靠地關(guān)閉，很多初步的設(shè)計(jì)方法采用了負(fù)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，確保其完全關(guān)斷。

這就導(dǎo)致了一個(gè)普遍的認(rèn)知，即SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，而且必須使用負(fù)電壓來(lái)確保其關(guān)斷。這是這個(gè)誤區(qū)的來(lái)源。

然而，隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)SiC MOSFET特性的深入了解，已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的驅(qū)動(dòng)方案和技術(shù)，它們并不一定需要負(fù)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和選擇合適的驅(qū)動(dòng)器，可以避免使用負(fù)電壓，同時(shí)確保SiC MOSFET的可靠性和性能。

因此，這一誤區(qū)主要基于早期的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，它已經(jīng)不再完全適用。

編輯：黃飛

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