探讨SiC材料如何提升产品性能以超越基于硅材料的领域，为我们全新的数字世界创造下一代解决方案

时间： 2024-02-28 来源：芯长征科技公众号

技术问答

众所周知，硅（Si）材料及其基础上的技术方向曾经改变了世界。硅材料从沙子中提炼，构筑了远比沙土城堡更精密复杂的产品。如今，碳化硅（SiC）材料作为一种衍生技术进入了市场——相比硅材料，它可以实现更高功率等级的功率转换、更快的开关速度、传热效率上也优于硅材料。本篇博客探讨了SiC材料如何提升产品性能以超越基于硅材料的领域，从而为我们全新的数字世界创造下一代解决方案。

硅基MOSFET、碳化硅（SiC）MOSFET、氮化镓（GaN）HEMT或碳化硅（SiC）FET等功率电子器件是用于众多市场领域的主要技术构件。长期以来，硅一直是功率电子应用中的首选半导体材料。直到最近，由于SiC技术性能和可靠性的显著提升，人们开始从硅转向SiC器件。

SiC的性能优势已在电动车、白色家电、基础设施、太阳能/可再生能源、数据中心等多个电力电子市场产生深远的影响。得益于更大的带隙能量（即3.3eV，而硅为1.1eV——参见图2）和更高的击穿电压，SiC可用于创建更新颖、更高性能的解决方案。

如今，制造商采用SiC技术来开发基于各种半导体器件的功率电子模块，如双极结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。在接下来的章节中，我们将探讨为何SiC正在成为面向未来的突破性电力电子技术。

01采用SiC vs. Si：优势对比

首先，SiC MOSFET或SiC FET与硅器件相比具有若干优势。SiC更高的击穿电压意味着可以使用更轻薄的器件来支持更高的电压。另外，SiC相较于硅的其它优势还包括：

●作为一种宽带隙材料，在高温条件下漏电流较低；

●更高的热导率，有助于支持高电流密度应用；

●更低的能量损耗，有助于最大限度减少功率损耗；

●更高的开关频率，减小了大型外围被动元器件的尺寸和重量；

●较小的裸片尺寸和较低寄生电容带来更低的开关损耗，使得功率转换器能够在更高的开关频率及速度下运行；

●能够在更高的环境温度下正常工作，有助于减小散热器的尺寸。

由此，我们现在可以看到SiC器件相对于硅基器件的诸多优势；这也成为许多应用从硅转向SiC的原因。

02了解SiC的电热优势

在电力电子领域，如何在高功率应用中有效减少或最小化功耗损失一直是非常重要的。与此类似，满足极端条件下的热设计要求也是非常重要的。SiC不但能够满足以上这些要求，其漏极-源极电阻（R_DS(ON)）比硅器件低300到400倍。这一品质因数（FOM）是生产厂家的福音，基于这个特点，这些客户可以设计出高效率的电力电子设备。此外，有效裸片面积相同的情况下，碳化硅器件（SiC）可以转换的功率等级比基于硅（Si）的器件更高——换句话说，碳化硅器件（SiC）可以用更小的芯片尺寸实现相同的功率等级转换。

此外，SiC具有较高的电热导率和快速开关功能，以及较低的输出电容与R_DS(ON)。因为碳化硅（SiC）器件可以转换更高等级的能量并且理论上具备更高的开关频率，可以帮助制造商节省系统成本。原因何在？因为这些品质因数（FOM）意味着那些被动元器件的尺寸可以大大减少，例如：变压器、扼流圈和电感器等磁性部件，而这些器件在开关电源设计中所有开关电源设计中都必不可少的；

所有这些FOM意味着碳化硅器件（SiC）将在三相逆变器、数字电源和功率电子变换器（AC/DC和DC/DC）等应用中大有作为。

效率是各个制造商当下所追求的另一个FOM。鉴于全球都在推进“绿色”能源倡议，在许多应用中，效率也已成为一个关键的推动因素。下文中的图1显示了SiC相对于硅材料可实现更高的效率；这使其成为当今许多下一代设计中的首选技术。

图1，硅（Si）与碳化硅（SiC）的比较

SiC等宽带隙半导体技术是下一代高效功率电子器件的理想选择（见图2）。SiC从650V电压开始便表现出出色的电压阻断能力，且在更高电压下所带来的优势更为显著。下一代解决方案的一个关键举措是“绿色（即高能效）”系统的构建。SiC则可提供这种能力——其宽带隙特性可实现更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量，和更低的总体成本——即相当于“更环保”的解决方案。

图2，硅（Si）和碳化硅（SiC）参数对比表格

03写在最后：一些结论

现在，我们对Si与SiC之间的比较有了更好的理解。在我们所处的全新数字世界，两者在诸多应用中均占有一席之地；然而，在很多解决方案中，SiC能够实现更优秀的性能指标。SiC技术能够被应用在广泛的电力电子解决方案中。由于具备较广的工作栅极驱动范围，在高频DC/DC和AC/DC等应用中采用SiC会带来许多优势。此外，在电动车逆变器中使用SiC，更可获得更低的导通损耗和强大的短路处理能力。

SiC技术的不断进步将促使其在更多应用中得到推广，并开拓其它领域。同时，封装设计的进步、市场接受度的提高，以及市场空间的快速增长，都会进一步助力SiC技术应用于更多解决方案。

来源：功率半导体生态圈

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

选型指南 - NISSHINBO - 2023/4/27 PDF 中文下载

ROHM(罗姆) IC/功率器件/分立式半导体/无源元件/光学器件/模块选型指南

描述- ROHM launched the ComfySIL™ brand for customers involved in the design of functional safety to use products that support SIL (Safety Integrity Level) in a ‘Comfy’ (comfortable) manner, and for social systems' greater safety, security, and convenience to which ROHM can contribute through its products.

型号- DTC143TE3,KA2004-H05N20A,ML62Q20XX,RCJ220N25,SML-S13UT,DTC143TEB,RSX101VYM30,SML-D12M8W(C),SDR,R6002JND4,BD60A00NUX,RB238NS150,SML-D12Y8W,SMLA12BN8T,MG6405WZ,BDJ0GA3VEFJ-M,SML-811UT (A),SML-010VT,BD94130EFV-M,DTA124XM,BM2SC123FP2-LBZ,RS3L110AT,RB298T100,DTC143TCA,RSS060P05,BD71L4LG-1,SFR,BR25A512,RGPR20BM36HR,BD95821MUV,BD6995FV,KD2002-G0JB10A,BU23TD2W,SML-S13VT,BD12IC0WEFJ,BU97941FV,SLI-325YC(W),RQ5L015SP,BH7673G,SML-811UT (C),BD52XXG-2C,BD6046GUL,RGW60TS65HR,BD10KA5WFP,BA03CC0FP,SML-D12Y3W,BM6241FS,BD450S5FP2-C,MH2206WZ,BD63521EFV,BU94702AKV,SML-S13PT,RB168MM200,DTC144WCA,BD22621G-M,SLI-343URC,RS6R035BH,BDJ2FC0WFP,RGT20NL65,DTD123TC,DTA015TUB,BD750L5FP-C,BM521Q25F,R8003KNX,BD52XXG-1 SERIES,SML-D12D8W (C),DTA023YEB,UCR006,BD95514MUV,BD9S200MUF-C,SML-H10PD2B,DTD123TK,RFN6T2D,IMX25,BD80FD0WHFP,R6000ENH,SML-S13RT,BU64253GWZ,BD70GC0VEFJ-M,BD52XXG-2M,RBR2LAM30A,CSL0902DT 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选型指南 - ROHM - 2024 Edition - 12.2023 PDF 英文下载

半导体分类知识大全：半导体产品类别该如何区分？

半导体产品的类别应该怎么去区分呢？按照国际通行的半导体产品标准方式进行分类，半导体可以分为四类：集成电路，分立器件，传感器和光电子器件，这四类可以统称为半导体元件。本文凌讯微电子将为您详细讲解。

技术探讨发布时间 : 2023-11-15

Littelfuse（力特）保护继电器和控制装置选型指南

描述- Littelfuse is a diversified industrial technology manufacturing company empowering a sustainable, connected, and safer world. Across more than 20 countries, and with approximately 17,000 global associates, Littelfuse partners with customers to design and deliver innovative, reliable solutions.

型号- TDR4B23,EL3100,RK-325,TDR4B22,SCR,CT-0050-F10,TDI120AL,ECSL4HBH,DLMU,TDML110DL,SD12-PC,KSPSN21B,LLC42B15A,RK-332,SE-TA6ASF-WL,PC-200-LLC-CZ,THDS410.25SA,ZSCT30-31,TSU2000 SERIES,RK-325I,P1004-XX-(X),ORB120A25,P1004-12-X,SE-FLASH,PSC11,TDM24DL,LLC6210F10M,SB6000,FS146RC,SIO-RTD-02-00,LLP-24,FS165-30T,ARPX1S SERIES,233P,RK-105I,NDS-11,50R40029,MPS-RTD,460-15-100-SLD,ESDR423A4,ECSL4HAC,RM1000 NEMA 4,ASXX SERIES,KRDI2110S,ESDR423A3,KRPDA2129RXE,TDB120AL,LLC54AF10,455 SERIES,KRDM223,KRDM220,KRDM221,ORS120A150SD,PGC-31FC,PGM-8325,460-XXX-SP,FS126-45,CT-0800-F30,CT-0400-D20,TSB634,LLC26A1F25C,PLR240A,ECSW3LABT,TSB632,TDUH SERIES,TSDS SERIES,WVM811AH,TDM24AL,LPSM003Z,HRDM SERIES,235P,FA155-2,KSDB315SP,601,SB6100-01X-0,102A,KRPD215S190SMB,601 SERIES,EL731-03-X0,PC-200-LLC-GM,SIR,MPU-32-X69X SERIES,ORS230A150SD,KSD3120A,FPS,ECSW6MBHT,MSM20.15W9,FB9L,HRDR331A1,TSD6 SERIES,TS22120,201575-AU,201-100-SP-DPDT,FS300 SERIES,ECSH31F.08D,FS126-60,TDS SERIES,KRDI220,MSM130W9,KSD2 SERIES,FS500,102A SERIES,201-XXX-SP SERIES,LLC52BA,A0220 SERIES,460-200-SP,ALT230-S-SW,HRDR121A4R,LLC52AA,ORB120A160,P0400-82,TDI SERIES,PC-XXXLLC-CZ SERIES,P0400-83,DCSA5,PC-XXX-LLC-GM,P0400-86,SLR,INFORMER-MS,HRDB321,CT-0150-D10,PGC-4064,HRDB324,KSDB SERIES,FS512,ECSW4MBHT,TSDR612.5SA4.5S,TMV8000 SERIES,TSD2411S,ECSW4MBGT,FS524,CT-XXXX-DXX,KSDR SERIES,RS SERIES,P1004-XX,MPU-32-X69X–XXX00,WVM,SLR1610A,KSD1320,ASQU SERIES,TS1424,TS1423,TS1422,TS1421,HRDR330A0R,TSB222,77C SERIES,T10,CT-1200-F15,NGR SERIES,NGR1080,TS1416,NGR1081,TS1415,HRISW21FT,TS1412,KRPS913MB,HLMUDNAAN,202-575-RP,CT-0300-F10,TSD7621,LSRU-115-OR-2,DCSA50,HLMU,EL731-23-X0,NGR1077,NGR1078,NGRM-ENC-230-00,TRDU24A1,NGR1079,TRDU24A2,AF0100-10,TRDU24A3,SB6100-21X-0,NGR1070,NGR1071,NGR1072,NGR1073,NGR1074,ESDR450A1,NGR1075,NGR1076,ECS40AC,TVM460A75S2M,PMA-16-RTDB,PGR-3200-120,SE-703-0U-0X,ESDR123B4P,FS SERIES,NGR1066,NGR1067,D1100,PLR SERIES,NGR1068,AF0100-00,NGR1069,202,KSDB120P,KRPSD25S,TRM24D1X2,777-HRG-P2,ECS40BC,TRDU120A3,TRDU120A1,TRDU120A2,ERDM4130S,TDS120ALD,LLC14B60AX,ISS-102 SERIES,TDIH SERIES,NGR1050,NGR1051,NGR1052,NGR1053,TVW6510S0.4S,FB230A,CT-0300-F20,KSD3432A,PGE-05KV,DCSA20,LLC2,LLC1,LLC6,NGR1045,LLC5,ALT-XXX-1-SW,LLC4,SE-330AU-XX-0X,TVM230A101S1S,LLC8,SC4 SERIES,T10120,NGR1041,KSPSN13MI,VTP0E,PGE-35KV,FS100,TDB12D,T10S400,TSDR4412SA1,LLC842F103M,TDSL SERIES,KRD92115MB,FPU-32-00-00,201-200-SP-DPDT,KRD92115MA,ECSH4HAD,SE-GRM250,PGR-4300 SERIES,NGR1036,PMA-23,NGR1038,PMA-24,PMA-21,ERDM429,ERDM425,KRDB SERIES,ERDM427,FS590,NGRM-ENC-431-21,ER-72KV,777-MV-P2,240,460-MR,PCR SERIES,TDBL120AL,TS1211.5,EL731-11-X0,CT30S1,LLC4 SERIES,KSDS230,PGC-3140,3506002,FS126,FS127,TSD2434,DSQU SERIE,TDB24DL,T2D120A15M SERIES,TDUSH3001A,ALTXXX-X SERIES,THD7421A,TDUIL3001A,ERDM423,ECS6HAH,ERDM422,TDSH120AL,RS4B12,FPS SERIES,TS13115,PMA-18,HRPSD12HI,PMA-16,KSDU SERIES,PMA-17,LLC825F5M,LSRU-115-AL-3,PMA-14,PMA-15,PMA-12,LSRU-115-AL-2,PMA-13,PMA-10,TSDS421,SE-105,MPS-CTU-01-00,ORM24D13.5,TH1 SERIES,TDUIL3002A,MSM450W6,SE-107,DLMUBLAAA,FS143,TSU2000,FS146,RS1A11,KSPU SERIES,SB5060-20X-0,LLC44B4A,TCR9C,MSM42W6,50R-100-2,TDUB SERIES,THDB SERIES,FS152,777-HP-P2,PGR-8800-00-CC,LSR-XXX,LLC14B15AX,TS441165,PGR-4300,TSD24145S,ASXX,LSRU-115-OU-1.5,KSD2221,ORB,FS162,TA24A5,KRDR424A4,KSDR40A0,TA24A3,HRDR321A4R,TRM24A8Y5,KRDR424A0,TH1C415,TSDR6412SA1,ORM,RK-310X-0Y,SIR1A20A4,ALT115-S-SW,ORS,VMPS,TDIL SERIES,LLC44B2A,VMPU,FPS-CTU-03-00,ORB24A25,BZ1,777-ACCUPOWER,HRPS SERIES,PHST-38QTN,TS2412,LSRX-C,350200,HLMUDRAAA,LLC44B1A,KSD2413M,TRDU SERIES,TSS SERIES,SIR1A1A4,KRPSA24M,TL230A5,ECS2HBC,TS2421,PC-100-LLC-CZ,TS2422,TS2423,PGA-LS20,777-575-HRG-P2,IR KIT-12,TSDR6110SA30S,1N5339B,AC700-SMK,KRDB21180S,KRPSA22B,ER-15KV,PGA-LS30,TDB120ALD,LLC44B5F100,TSS421,ISS-102A-LC,202-200-SP,MPS-469X,TVM480A100.5S3S,KRDM121,ARP43,ARP41,777-KW-P2 SERIES,HRDR431A1R,MPU-32-X69X,TSS424,TSS422,TSD6310.8SN,THDS SERIES,KRPD SERIES,601575,ASTU SERIES,TS121150,PGA-LS10,VTP5N,460L-OEM,TCSA50,LLC44B5A,TDUIL,ELCT,SE-CS40,TDUIH,SE-502,TDR2A23,VTP4B,TSDR215SB18M,VTP4F,NGRUS003,VTP4J,P0200-20,PC-100-LLC-GM,P0200-19,SE-CS30,NGRM-ENC,PCR11,PCR10,TDUL SERIES,PMA-60,WVM611AL,PLS480A,PRLM423,VTP3B,ECSW,PGR-8800-00,PCR13,PCR12,PLM6502,ESDR120A0P,SB5032-21X-0,ESDR424A1,WVM611AH,ERDI436,VTP2C,VTP2A,TDUSL3000A,VTP2F,TCS,VTP2E,ORB SERIES,VTP2J,202-200-SP SERIES,KSPSA21FT,MPS-469X–XX000,SCR490D,THC421C,ELCT30-88,IR KIT-36,VTP2P,TDB,P1004-9,202 SERIES,SE-CS10,TDI,KRDR420A3,ECSL31A,KRDB415S,TDM,TSD7611S,VTP1B,TDS,SERIES,TS141180,TDR,TDU,VTP1D,VTP1C,MSM11W6,MSM210P3,TDB24AL,MPS-RTD-01-00,PGR-6100,PMA-55,PGR-6101,ARP23S,50R200,PLS120A,PGR-6100 SERIES,KSDB330N,KRDB,777-575-TS,FA155,KRDI,ALT115-X,KVM4,KRDM,ALT115-S,ECSH34F.08C,KRDB1120M,TDML120AL,KRDS,EFCT SERIES,KRDR,KVM6,TDUIL SERIES,EL731-04-X0,MPS-469X-PMA24,PGR-2601,THD1B410.5S,201-100-DPDT,AF0500 SERIES,ECS40A,SE-TA6A SERIES,TDM12DL,NGRM-ENC-231-01,TSDR442MA2,ELCT5,77C-KW SERIES,KRD3,FS219-45,ISS-102AA-DCS,TH1,A0220.0040,KRD9,KSDB1115SP,TDR4A23,MPU-32-X69X-PMA16,KVM,KRDM1110S,EFCT-26,111P,FS126RC-45,THC,T

选型指南 - LITTELFUSE - Rev: 3-A-041922 - 041922 PDF 英文下载

The Growing Ecosystem for eGaN®FET Power Conversion Application Note

型号- TEA1998TS,LMG5200,UP1964,TEA1993TS,UP1966E,TEA1995T,IXD_604,ADUM4121ARIZ,LMG1025-Q1,MPQ1918,EPC2152,NCP81111,LM5113-Q1,NCP4306A,DSPIC33CK32MP102,TPS53632G,ISL8117A,LMG1210,ADUM4120ARIZ,NCP51820,FBS-GAM01P-C-PSE,FBS-GAM02P-C-PSE,FBS-GAM02-P-R50,LTC7800,MIC2103/4,UCC27611,NCP4308A,UCD7138,TPS40400,SI8275GB-IM,SI8274GB1-IM,LM5140-Q1,LMG1205,ISL81807,ISL81806,NCP4305A,ISL70040SEH,MIC2127A,LMG1020

应用笔记或设计指南 - EPC - 2022/2/1 PDF 英文下载

【选型】Infineon（英飞凌）用于工业应用的高功率半导体选型指南

描述- Infineon delivers solutions from microamps to megawatts with superior energy efficiency, offering highly reliable IGBTs, power MOSFETs, GaN e-mode HEMTs, power discretes, protected switches, Si drivers, GaN drivers, IGBT modules, intelligent power modules (IPMs), linear regulators, motor control solutions, LED drivers, and all forms of AC-DC, DC-DC, and digital power conversion.

型号- IRGP4078D,D475N36B,IRAM256-1567A,D4810N20T VF,IRGSL14C40L,IR44273,IR44272,DD242S10K,IGCM04B60GA,FS150R07N3E4_B11,DD231N24K,FD600R17KE3-K_B5,FF200R12MT4,DZ540N22K,SIDC59D170H,IDH08SG60C,IDW100E60,IRG4CC20FB,IGC114T170S8RH,FZ300R12KE3G,D1461S45T,IGC114T170S8RM,IGCM04B60HA,IRG4PC30UD,D251N16B,IDH20G65C5,T470N12TOF,IDD04SG60C,IRG4BC10SD-S,FF300R17ME4_B11,TZ425N16KOF,TT60N16SOF,IDK02G65C5,T2351N42TOH,D1800N43T 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选型指南 - INFINEON - 2016年5月 PDF 英文下载

氮化镓功率器件外延技术的发展

氮化镓（GaN）功率器件的优点包括低寄生电容和特定的导通电阻，从而大大改善了功率转换应用中的关键导通和开关损耗品质因数，以及能够在更高的频率下运行，从而缩小了系统尺寸和成本。在本文中，芯长征科技将总结一些与氮化镓功率器件外延相关的重要专利申请，这些专利申请可能会将这些优势扩展到更广泛的应用领域。

技术探讨发布时间 : 2024-03-28

什么是IGBT功率半导体，IGBT应用领域有哪些？

功率半导体器件也被称作电力电子器件或功率器件，它是具有包括变频、变压、变流、功率管理等功率管理能力的一种特殊开关。在计算机、通信、消费电子、新能源、汽车、工业制造、等领域有着广泛的应用。今天SPEA和大家重点介绍下功率器件中的明星IGBT模块。

设计经验发布时间 : 2024-03-29

直流无刷电动机工作原理与控制方法有哪些？？

同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

技术问答发布时间 : 2019-05-24

氮化镓（GaN）功率器件结构与制造工艺

氮化镓功率器件与硅基功率器件的特性不同本质是外延结构的不同，本文通过深入对比氮化镓HEMT与硅基MOS管的外延结构，再对增强型和耗尽型的氮化镓HEMT结构进行对比，总结结构不同决定的部分特性。此外，对氮化镓功率器件的外延工艺以及功率器件的工艺进行描述，加深对氮化镓功率器件的工艺技术理解。在理解氮化镓功率器件结构和工艺的基础上，对不同半导体材料的特性、不同衬底材料的氮化镓HEMT进行对比说明。

技术探讨发布时间 : 2024-01-31

碳化硅器件封装进展综述及展望相关文章集锦

碳化硅（ SiC ）具有禁带宽、临界击穿场强大、热导率高、高压、高温、高频等优点。应用于硅基器件的传统封装方式寄生电感参数较大，难以匹配 SiC 器件的快速开关特性，同时在高温工况下封装可靠性大幅降低，为充分发挥 SiC 器件的优势需要改进现有的封装技术。针对上述挑战，对国内外现有的低寄生电感封装方式进行了总结。

设计经验发布时间 : 2024-03-28