干货福利：SiC器件如何更胜Si器件一筹

时间： 2016-02-16 来源：微波杂志

相比于Si，SiC功率器件的性能优势体现在哪些方面？

硅“统治”半导体器件已50多年，目前仍是最主要的半导体器件材料，但是硅固有的一些物理属性，如带隙较窄、电子流动性和击穿电场较低等特点限制了其在高频高功率器件方面的应用

因此，SiC对现有功率半导体来说是一个巨大转机。因为，SiC材料不但击穿电场强度高、热稳定性好，同时还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，在产品特性上，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能坚持到150℃。

基于以上优势，SiC被用来制造各种耐高温的高频大功率器件，且应用于Si 器件难以胜任的领域，例如世强代理的美国Cree公司的SiC功率MOSFET。其目标用途包括，太阳能发电用逆变器装置、高电压输出DC/DC转换器装置以及马达驱动用逆变器装置等。据了解，使用SiC功率MOSFET，与使用Si功率MOSFET的电源装置相比，开关损失最大可削减50％。另外，与采用Si材料IGBT的电源装置相比，可将装置整体的转换效率最大改善2％，而且能将开关频率提高至2～3。而开关频率的提高，能够缩小外置部件，因此可削减电源装置整体的体积和重量。

通常，采用硅材料的MOSFET提高器件阻断电压时，必须加宽器件的漂移区，这种做法会使其内阻迅速增大，压降增高，损耗增大；阻断电压范围在 1200~1700V的硅MOSFET不仅体积大，而且价格昂贵；IGBT虽然在高压应用时可降低导通功耗，但若开关频率增加时，开关功耗亦随之增大，因此IGBT在高频开关电源上有其本身的限制。而用SiC做衬底的MOSFET，可轻易做到1000～2000伏的MOSFET，其开关特性（结电容值，开关损耗，开关波型等）则与100多伏的硅MOSFET相同，导通电阻更可低至毫欧值；同时在高压开关电源应用上，完全可取代硅IGBT并可提高系统的整体效率以及开关频率。

再比如CREE公司的SiC肖特基二极管。SiC肖特基二极管是速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电，可大幅降低开关损耗、提高开关频率，适用于比采用硅技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围。例如，600V SiC肖特基二极管可以用在SMPS中。

SiC器件性能如此卓越，价格会不会成为绊脚石？

不得不承认，单就Si器件和SiC器件的价差而言，确实存在较大的差异，但如果从SiC器件带来的系统性能提升来看，其带来的总体效益远远超过两类器件的价差。例如SiC特别适合高压应用，如果充分发挥SiC器件的特性，这一整体优势将表现得非常明显。

具体来看，整体优势主要体现在下面几个方面：一是SiC功率器件带来开关损耗的大幅降低，从而大大提高了系统的效率；二是由于SiC器件具有无反向恢复、散热性能好等特点，可减少周边器件的数量或者使用体积较小的器件代替，同时线路也得到优化，这样就在整体上缩减了系统尺寸；最后，因为效率提高、器件精简也获得了系统整体成本的节约。所以，从性价比的角度来看，SiC器件的优势还是非常明显的。