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碳化硅晶體管越來越多地用于高壓功率轉換器，因為它們可以滿足這些應用對尺寸、重量和/或效率的嚴格要求。但為什么這項技術對工程師如此著迷呢？該博客將提供一些見解。

碳化硅 (SiC) 的出色材料特性使快速開關單極器件的設計成為可能，而不是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 開關。因此，僅在 600V 及以下電壓的低壓世界中可行的解決方案現(xiàn)在也可以在更高的電壓下使用。其結果是提高了效率、更高的開關頻率、更少的熱耗散和節(jié)省空間——這些好處反過來又降低了整體系統(tǒng)成本。

Infineon Technologies大約在 30 年前就發(fā)現(xiàn)了這種潛力，并于 1992 年成立了一個專家團隊來開發(fā)用于高功率工業(yè)應用的 SiC 二極管和晶體管。以下是自那時以來達到的里程碑的簡短且不完整的列表：

2001年全球率先推出SiC基肖特基二極管

2006年第一個包含SiC器件的功率模塊

當前第五代SiC二極管的發(fā)布

隨著2017 年創(chuàng)新 Trench CoolSiC ? MOSFET的首次亮相，菲拉赫創(chuàng)新工廠全面轉向 150mm 晶圓技術

在以可靠的 SiC 器件為目標時，金屬氧化物半導體場效應晶體管 ( MOSFET ) 已被普遍接受為首選概念。最初，結型場效應晶體管 (JFET) 結構似乎是在 SiC 晶體管中兼顧性能和可靠性的最終解決方案。然而，隨著 150mm 晶圓技術的成熟，基于溝槽的 SiC MOSFET 已變得可行。這樣一來，雙擴散金屬氧化物半導體（DMOS）結構既要有性能，又要有高可靠性的困境可以得到解決。

基于寬帶隙的功率器件——例如 SiC 二極管和晶體管，或氮化鎵高電子遷移率晶體管 ( GaN HEMT )——是當今功率電子設計人員圖書館中的常見元件。但為什么？與傳統(tǒng)硅相比，碳化硅有何迷人之處？是什么讓 SiC 元件對設計工程師如此有吸引力，以至于他們在設計中如此頻繁地使用它們，盡管與硅高壓器件相比它們的成本更高？讓我們來看看幾個原因。

低損耗和高擊穿場是關鍵

在電源轉換系統(tǒng)中，設計工程師不斷努力減少轉換過程中的能量損失?，F(xiàn)代系統(tǒng)基于固態(tài)晶體管與無源元件一起打開和關閉的技術。對于與所用晶體管相關的損耗，有幾個方面是相關的。

首先，設計工程師必須考慮傳導階段的損耗。在 MOSFET 中，這些由經(jīng)典電阻定義。在 IGBT 中，它是拐點電壓 (V ce_sat )形式的固定傳導損耗確定器，另外還有輸出特性的微分電阻。阻塞階段的損失通?？梢院雎圆挥?。

其次，設計工程師應該考慮到在開關期間始終存在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間的過渡階段（圖 1）。相關損耗主要由器件電容定義。在 IGBT 中，由于少數(shù)載流子動力學（導通峰值、尾電流），進一步做出了貢獻。

基于這些考慮，您會期望選擇的器件始終是 MOSFET。然而，特別是對于高電壓，硅MOSFET的電阻變得如此之高，以至于總損耗平衡不如 IGBT，因為它們可以使用少數(shù)載流子的電荷調(diào)制來降低導通模式的電阻。

圖 1：圖中顯示了開關過程和靜態(tài) IV 行為的圖形比較。（來源：英飛凌科技）

當考慮寬帶隙半導體時，情況發(fā)生了變化。圖 2總結了 SiC 和 GaN 與硅最重要的物理特性。帶隙和半導體的臨界電場之間的直接相關性是顯著的。對于 SiC，它大約是硅的 10 倍。

圖 2：圖像突出顯示了 SiC 和 GaN 與硅的關鍵物理特性。（來源：英飛凌科技）

有了這個特點，高壓元件的設計就不同了。圖 3以 5kV 半導體器件為例顯示了影響。在硅的情況下，由于適度的內(nèi)部擊穿電場，半導體設計人員被迫使用相對較厚的有源區(qū)。此外，只有少數(shù)摻雜劑可以摻入有源區(qū)，從而導致高串聯(lián)電阻（如圖1所示）。

圖 3：SiC 允許更薄的半導體有源區(qū)。（來源：英飛凌科技）

SiC 的擊穿場高 10 倍，有源區(qū)可以做得更薄。同時，可以結合更多的自由載流子，因此可以實現(xiàn)更高的電導率?？梢哉f，就碳化硅而言，快速開關單極器件（例如 MOSFET 或肖特基二極管）與較慢的雙極結構（例如 IGBT 和 pn 二極管）之間的過渡現(xiàn)在已經(jīng)轉向更高的阻斷電壓（圖 4） ).