使用SiC的关键在于了解事实

Ajay Hari

最近，碳化硅（SiC）及其在电力电子领域的潜在应用受到了广泛关注，但同时也引发了一些误解。本文旨在澄清这些误解，让工程师们在未来放心地使用SiC器件。

应用

围绕SiC产生的一些疑虑与其应用范围相关。例如，一些设计人员认为SiC MOSFET应该用来替代IGBT，而硅MOSFET的替代品应该是氮化镓（GaN）器件。然而，额定电压为650V的SiC MOSFET具有出色的性能，其R_DS（ON）*Q_g品質因数很有竞争力，反向恢复电荷也非常小。因此，在图腾柱功率因数校正（TPPFC）或同步升压等硬开关应用中，SiC是硅MOSFET的绝佳替代品。一些工程师认为SiC不太适合更高频率的应用，而要实现快速开关就应该改用GaN。然而，随着最近的技术进步，SiC芯片面积进一步缩小，进而使其越来越适合高频（>100 kHz）操作。正因如此，对于像100 kHz的TPPFC以及（200～300） kHz频率的软开关LLC之类的应用，SiC器件现在已经有成功的经验。此外，沟槽和共源共栅SiC MOSFET等新兴技术将进一步增强其高频性能。最后，还有工程师考虑到SiC已成功应用于电动汽车牵引逆变器，便认为SiC是一项小众技术。然而，如今几乎所有行业都需要提高功率密度和确保高效运行，这就意味着SiC的优势还可以普及到各种不太复杂的设计，例如电动汽车车载充电器（OBC）、太阳能光伏（PV）模块和可再生能源，以及云计算。

器件选择和操作

许多设计人员使用负关断栅极电压来防止SiC器件因开关瞬变而“抖动”或意外重新导通，但这并不做严格规定。许多成功的SiC设计案例都未采用负栅极电压驱动。但是，在所有设计中都应遵循良好的惯例，比如采用紧凑布局来尽量减少寄生效应。此外，栅极驱动器应该能够吸收足够的电流，从而将器件稳定在关断状态。在少数的应用中，比如TPPFC，结隔离栅极驱动器或可接受。然而，值得注意的是，电隔离栅极驱动器的抗噪能力更强，并且可以更好地处理开关节点dv/dt瞬变，防止误触发。由于SiC MOSFET开关速度快且栅极电荷（Qg）比等效的硅器件低，因此即使在不做严格要求的应用中，电隔离栅极驱动器也能实现更稳健的设计。如今，许多专用SiC驱动器都提供便捷的功能，如负栅极驱动、DESAT、OCP、OTP和其他保护。只要选择了合适的栅极驱动器，驱动SiC器件就跟驱动硅MOSFET一样易实现。

SiC经济学、生态系统和供应链

公众认为SiC解决方案成本高，这是一种误解。与硅MOSFET相比，SiC器件存在小范围溢价；但是，以一个典型的30 kW硅基电源解决方案为例。在该解决方案中，电感器和电容器占总成本的90%（分别为60%和30%），而半导体器件仅占总物料（BOM）成本的10%。假设将硅MOSFET更换为SiC开关。在这种情况下，电容和电感的尺寸将减少75%，使得成本显著降低（尺寸也大幅缩小），抵消了开关元件成本增加的影响。此外，硅器件的效率低于SiC，需要搭配昂贵且庞大的散热器解决方案。因此，SiC 解决方案的总BOM 成本低于等效的硅解决方案。

随着相关技术进入主流，SiC 生态系统正在迅速发展。现在市面上有各种商用SiC 器件和相关栅极驱动器可供选择，提供几种封装样式，适合多种应用。随着制造商开始通过应用工程团队、参考设计、应用笔记、仿真模型和工具提高其支持力度，整个行业的 SiC 知识储备正在不断完善。最近某些行业面临元件供货（不仅仅是SiC）的问题。然而，得益于最近对GTAT 的收购，安森美 （onsemi） 的供应链变得更加强大可靠。安森美是为数不多具有端到端SiC 供应能力的大型供应商，包括晶锭批量生长、基板制备、外延、器件制造、出色的集成模块和分立式封装解决方案。为了顺应未来几年SiC的预期增长态势，安森美计划将基板业务的产能提高五倍，并斥巨资扩大公司的器件和模块产能，到2023 年实现所有工厂产能翻一番。到2024 年，产能再增加近一倍，并能够视需要实现再次增长。

高温和高压下的稳健性

SiC 材料宽带隙（WBG） 的特性使其在SiC MOSFET中的雪崩兼具更强的耐受性，这是因为热产生的载流子浓度远小于硅器件。虽然SiC 器件确实因为几何尺寸更小而导致它们的短路耐受时间比IGBT 短，但是，使用适当的SiC 栅极驱动器可确保检测到故障并在关断器件的同时留有足够的备用裕量，因此在具有稳健性要求的应用中可以放心使用。许多电动汽车的电池电压将从400 V 升至800 V 或1，000 V。而太阳能光伏 （PV） 系统中的输入电压也将从600 V 升至1500 V。这就要求器件具有更高的击穿电压，为此安森美开发了一系列针对快速开关应用优化的1 700V M1 平面EliteSiC MOSFET器件。除了这些MOSFET，安森美还推出了一系列1 700 V SiC 肖特基二极管。

结论

对硅器件和碳化硅器件进行各项指标分析后的结果表明，许多普遍存在的误解缺乏事实依据，工程师可放心选择将这种多功能技术应用于他们的设计中。