融合SiC和Si的優(yōu)點(diǎn)：混合功率模塊和混合分立器件

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在大功率、大電流的應(yīng)用，比如電動汽車目前動輒300kW以上的電機(jī)功率中，由于對損耗和散熱方面的要求較高，所以一般會在逆變器部分使用功率模塊。

功率模塊是由多個功率單管，比如IGBT、MOSFET等，以及二極管等元器件封裝在一起。比如IGBT模塊主要是由硅基IGBT和硅基二極管組成，碳化硅模塊主要是由SiCMOSFET和SiCSBD組成。

不過，碳化硅成本居高不下，去年特斯拉表示在下一代平臺上減少75%的碳化硅用量，但沒有說明要如何實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，以及具體的方案。在業(yè)界的猜想中，就包含混合模塊的方案。

混合功率模塊的幾種形式

前面提到目前主流的功率模塊包括IGBT模塊和SiC模塊，分別是使用硅基和SiC基功率器件作為核心。但混合功率模塊，顧名思義就是將硅基和SiC基的功率器件混合封裝到一個模塊中。

目前較為普遍的混合碳化硅功率模塊的形式是，采用IGBT和SiCSBD結(jié)合。由于硅二極管是雙極器件，存在反向恢復(fù)損耗大的特點(diǎn)，而SiCSBD幾乎沒有開關(guān)損耗，能夠使IGBT的開關(guān)損耗顯著降低。與相同封裝的標(biāo)準(zhǔn)硅IGBT模塊相比，IGBT+SiCSDB的功率模塊能夠提高功率密度、效率、工作頻率等。

另一種是采用SiCMOSFET和硅IGBT混合封裝，目前業(yè)界的方案大概是使用2顆SiCMOSFET配套6顆硅IGBT封裝成模塊，當(dāng)然這個比例還可以靈活調(diào)配。這種方式的好處是，可以同時利用SiC和IGBT的優(yōu)勢，通過系統(tǒng)控制，令SiC運(yùn)行在開關(guān)模式中，IGBT運(yùn)行在導(dǎo)通模式。SiC器件在開關(guān)模式中損耗低，而IGBT在導(dǎo)通模式中損耗較低，所以這種模式有可能實(shí)現(xiàn)在效率不變的情況下，降低SiCMOSFET的使用量，從而降低功率模塊的整體成本。

不過也有業(yè)內(nèi)人士表示，SiCMOSFET和IGBT混合模塊也存在一些應(yīng)用上的挑戰(zhàn)，包括用于汽車的封裝工藝穩(wěn)定性、IGBT和SiCMOSFET并聯(lián)電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動控制等問題。因此，目前市面上的混合功率模塊產(chǎn)品基本上是IGBT和SiCSBD。

分立器件也能混合碳化硅和硅

除了在功率模塊中混合SiC和硅的器件之外，其實(shí)分立器件也可以將兩種材料的器件封裝在單管中。

一般來說，硅IGBT單管其實(shí)是將IGBT和FRD（快恢復(fù)二極管）封裝成單個器件，而混合碳化硅分立器件將其中的硅FRD換成SiCSBD。由于SiCSBD沒有雙極型硅基高壓FRD的反向恢復(fù)行為，混合碳化硅分立器件的開關(guān)損耗獲得了極大的降低。根據(jù)基本半導(dǎo)體的測試數(shù)據(jù)顯示，這款混合碳化硅分立器件的開通損耗比硅基IGBT的開通損耗降低約32.9%，總開關(guān)損耗比硅基IGBT的開關(guān)損耗降低約22.4%。

而SiCSBD在近幾年的價格得到了明顯下降，混合碳化硅分立器件整體的成本相比硅IGBT和硅FRD實(shí)際相差不會太大。因此這種器件可以用在一些強(qiáng)調(diào)性價比的電源領(lǐng)域，比如車載電源、車載空調(diào)壓縮機(jī)等。

小結(jié)：

在過去幾年碳化硅器件供應(yīng)不足的情況下，誕生了不少碳化硅基和硅基器件的混合方案，當(dāng)然目前來看碳化硅的成本依然“相對較高”，下游終端希望碳化硅器件供應(yīng)商能繼續(xù)降價，同時也壓縮了上游的利潤。但隨著去年開始海內(nèi)外大量碳化硅上下游產(chǎn)能釋放，碳化硅的成本在未來兩年可能會繼續(xù)下降，屆時混合模塊或是混合器件的方案能否獲得市場青睞仍有待觀察。