碳化硅相對于硅的優(yōu)勢

在逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電池充電器等應(yīng)用中，碳化硅（SiC）器件具有更高的功率密度、更低的冷卻要求和更低的整體系統(tǒng)成本等優(yōu)勢。

盡管碳化硅器件的成本高于硅器件，但系統(tǒng)級器件的優(yōu)勢，特別是在1,200V電壓下，足以彌補(bǔ)較高的器件成本。與硅相比，在600V或低于600V時(shí)，其優(yōu)勢微乎其微。碳化硅芯片需要專門設(shè)計(jì)的封裝和柵極驅(qū)動(dòng)器才能獲得優(yōu)勢。

碳化硅相對于硅的優(yōu)勢

通常，碳化硅在反向恢復(fù)階段損失的能量僅為硅損失能量的1%。由于實(shí)際上沒有尾電流，因此可以更快地關(guān)斷并顯著降低損耗。由于耗散的能量較少，因此SiC器件可以在更高的頻率下切換并提高效率。

碳化硅的效率更高、尺寸更小、重量更輕，可以創(chuàng)建更高額定值的解決方案或更小的設(shè)計(jì)，同時(shí)降低冷卻要求。

硅的性能在較高的溫度下會(huì)變差，而碳化硅則更穩(wěn)定。硅器件通常在室溫下過高規(guī)格，以在較高溫度下保持規(guī)格。通常，額定電流為一半的SiC器件將執(zhí)行與硅IGBT相同的工作，因?yàn)镾iC在較高溫度下更加穩(wěn)定，并且不需要顯著降額。

碳化硅的工作電壓高于10kV，大大高于目前可以使用的電壓。提供額定電壓為1,200V和1,700V的SiC器件。由于電弧、爬電距離和電氣間隙等問題，封裝已成為限制因素，而不是半導(dǎo)體技術(shù)。

更低的損耗

碳化硅模塊中能量損耗的主要來源是傳導(dǎo)損耗。作為一種寬禁帶材料，SiC具有低柵極電荷，這意味著SiC需要更少的能量來使器件開關(guān)。

由于反向恢復(fù)能量和尾電流的顯著改善，二極管開關(guān)損耗幾乎被消除。開關(guān)導(dǎo)通損耗是電阻性的，因此在兩種技術(shù)中是相似的。下一代碳化硅工藝有望進(jìn)一步改進(jìn)。

更高的頻率意味著磁性的尺寸和重量減小，因?yàn)樽儔浩鱈C濾波器中的元件值會(huì)明顯降低。

SiC的平均失效時(shí)間（MTTF）是硅的10倍，對輻射和單粒子失效的敏感度降低30倍。然而，SiC具有較低的短路容限，因此需要一個(gè)快速作用的柵極驅(qū)動(dòng)器。

對于低速應(yīng)用來說，較高頻率的開關(guān)通常不是一個(gè)優(yōu)勢。在這種情況下，SiC器件的成本溢價(jià)和額外的設(shè)計(jì)考慮是不合理的，這使得硅IGBT成為更合乎邏輯的解決方案。

碳化硅的供應(yīng)也有限。在600V/650V時(shí)，SiC器件的可用性很低，而且大多是分立元件。

硅IGBT在設(shè)計(jì)過程中對RFI問題的緩解要求較少。在發(fā)生短路時(shí)，不需要高性能柵極驅(qū)動(dòng)器來管理關(guān)斷或快速反應(yīng)以保護(hù)器件。

柵極驅(qū)動(dòng)器

碳化硅器件需要專門設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器。專為驅(qū)動(dòng)硅IGBT而設(shè)計(jì)的IGBT將不支持SiC器件的開關(guān)速度，也不支持在發(fā)生短路時(shí)保護(hù)SiC器件所需的快速故障響應(yīng)時(shí)間。

它們還需要與硅IGBT對應(yīng)物不同的驅(qū)動(dòng)電壓。電壓軌通常是不對稱的，通常需要幾伏的負(fù)電壓軌才能使器件完全關(guān)斷。

另一個(gè)考慮因素是SiC模塊需要增強(qiáng)關(guān)斷。更高的頻率/更硬的開關(guān)與較低的內(nèi)部損耗相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致電流尖峰和振鈴問題。

增強(qiáng)型或“軟”關(guān)斷使用中間電壓階躍來管理突然電流變化的影響并減輕振鈴。由于內(nèi)部損耗的阻尼作用，硅器件受到的影響較小。

包裝問題

由于碳化硅的性能改進(jìn)，封裝技術(shù)現(xiàn)在已成為主要制約因素，即使對于碳化硅優(yōu)化封裝也是如此。SanRex（如圖）、英飛凌和Wolfspeed已經(jīng)開發(fā)出了專有的SiC封裝。

與硅相比，碳化硅封裝通常更小、更扁平、熱效率更高，盡管它們必須采用對稱布局設(shè)計(jì)，以最大限度地降低環(huán)路電感。碳化硅的優(yōu)勢沒有得到實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾酒惭b在傳統(tǒng)封裝中，設(shè)計(jì)用于在較低頻率下進(jìn)行開關(guān)，具有更寬松的上升和下降時(shí)間要求。由于波傳播效應(yīng)，非對稱設(shè)計(jì)在較高頻率下表現(xiàn)不佳。

如果要實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的優(yōu)勢，則必須使用SiC專用封裝和柵極驅(qū)動(dòng)器，這使得SiC成為新系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。

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