【经验】碳化硅二极管对比硅二极管之8大优势

时间： 2023-09-28 来源：芯众享官网

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碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，可实现以前使用硅（Si）无法实现的许多高功率应用。650V/1200V碳化硅肖特基二极管，主要面向需要超高性能、低损耗和高效功率的电源应用，可应对高电压和高电流应用带来的挑战。那么碳化硅二极管和硅二极管相比，有哪些优势呢？

碳化硅二极管优于硅二极管的8大原因:

1、在额定电压相同的情况下，SiC二极管占用的空间比Si更小

SiC的介电击穿场强比硅基器件高出约10倍，且在给定的截止电压下，SiC的漂移层比硅基器件更薄且掺杂浓度更高，因此SiC的电阻率更低，传导性能也更好。这意味着，在额定电压相同的情况下，SiC芯片比其等效的硅芯片更小。使用更小的芯片还有一个额外好处，就是在电流和额定电压给定的情况下，其器件的固有电容和关联电荷都更低。结合SiC的更高电子饱和速度，这可以实现比Si基器件更快的开关速度和更低的损耗。

2、SiC二极管具有更出色的散热性能

SiC的热导率几乎是Si基器件的3.5倍，因此其每单位面积耗散的功率（热量）也就更多。尽管封装在持续运行期间会是一个限制因素，但SiC带来较大的裕量优势，有助于设计实现易受瞬态热事件影响的应用。此外，耐高温性能意味着SiC二极管具有更高的耐用性和可靠性，且不会出现热失控危险。

3、单极性SiC二极管并没有会造成减速和降低效率的存储电荷

SiC二极管是单极性肖特基金属半导体器件，其中只有多数载流子（电子）才能传输电流。这意味着，当二极管正向偏压时，结耗尽层几乎不会存储任何电荷。相比之下，P-N结硅二极管是双极性二极管，且会存储在反向偏压期间必须去除的电荷。这会导致反向电流尖峰，因此二极管（以及任何关联的开关晶体管和缓冲器）的功率损耗更高，同时功率损耗随着开关频率的增加而增大。SiC二极管在反向偏压下会由于其固有电容放电而产生反向电流尖峰，但其峰值仍比P-N结二极管低一个数量级，这意味着二极管和相应开关晶体管的功耗都更低。

4、SiC二极管的正向压降和反向漏电流都与Si相匹配

SiC二极管的最大正向压降可与超快Si二极管相媲美，并且仍在不断改进（在更高的额定截止电压下，两者存在细微差异）。尽管是肖特基类型的二极管，但在反向偏压下，高压SiC二极管的反向漏电流和由此产生的功耗相对较低，类似于同等电压和电流级别的超快Si二极管。由于SiC二极管不存在反向电荷恢复效应，所以SiC二极管和超快Si二极管之间由正向压降和反向漏电流变化引起的任何微小功耗差异都比降低SiC动态损耗所抵消的功耗更大。

5、SiC二极管恢复电流在其工作温度范围内比较稳定，从而可以降低功耗

硅二极管的恢复电流和恢复时间随温度变化而存在巨大差异，从而加大了电路优化的难度，但SiC二极管却不存在这种变化。在一些电路中，如“硬开关”功率因素校正级，充当升压整流器的硅二极管可以控制从高电流下的正向偏压到典型单相AC输入的反向偏压（通常约为400V D母线电压）产生的损耗。SiC二极管的特性可显著提升此类应用的效率，并可简化硬件设计人员的设计考虑因素。

6、SiC二极管可并联连接，且不会出现热失控危险

SiC二极管与Si二极管相比还有一个优势，它们可以并联连接，因为其正向压降具有正温度系数（在I-V曲线的应用相关区域），这有助于纠正所有电流不均流。相比之下，当器件并联连接时，SiP-N二极管的负温度系数可能会导致热失控，需要使用明显降额或附加的有源电路，以迫使器件实现均流。

7、SiC二极管的电磁兼容性(EMI)优于Si

SiC二极管软开关特性还带来另一个优势，它可以显著降低EMI。将Si二极管用作开关整流器时，反向恢复电流的潜在快速尖峰(及其宽频谱)可能导致传导和辐射发射。这些发射会产生系统干扰（通过各种耦合路径)，从而可能超过系统EMI限值。在这些频率下，由于存在这种杂散耦合，滤波可能会比较复杂。此外，设计用于衰减开关基频和低谐波频率（通常低于1MHz）的EMI滤波器通常都具备比较高的固有电容，从而会降低其在更高频率下的滤波效果。缓冲器可在快速恢复Si二极管中用于限制边沿速率以及抑制振荡，从而减少对其他器件产生的应力，降低EMI。但是，缓冲器会耗散大量能量，从而降低系统效率。

8、SiC二极管的正向恢复功率损耗低于Si

在Si二极管中，正向恢复这种功率损耗来源往往会被忽视。从关断状态向导通状态转换期间，二极管压降会暂时增大，从而产生过冲、振铃以及与P-N结初始传导性较低相关的额外损耗。然而，SiC二极管却不存在这种效应，因此无需担心正向恢复损耗。

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