SiC半导体发展的下一步是什么

本文展望了SiC下一步需要做什么，将在哪里应用以及如何成为功率半导体的主导力量。

1893年，费迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）于亚利桑那州的陨石残留物中发现了这种材料，此后，碳化硅晶体就可以说是“Moissanite”之美。

如今，碳化硅可以形成宝石、钻石，甚至更耐热。碳化硅晶体也在工业上成为了碳化硅（SiC）晶片的基础，碳化硅（SiC）晶片是一种非常成功的新型半导体产品，已经发展到可以与硅竞争的水平。

碳化硅现已进入第三代产品，其性能随着越来越多的应用而增加。同时，随着电动汽车，可再生能源和5G等行业创新步伐的加速，电力工程师越来越多地寻求新的SiC解决方案，以在效率，成本节省和功能方面取得优势，满足消费者和行业的需求。

一、第三代SiC威廉希尔官方网站

让我们回顾一下SiC威廉希尔官方网站 的现状以及与传统硅解决方案的竞争优势。下图显示了与硅相比的基本材料特性-靠近边缘的值更好。

Si和SiC材料特性的比较

SiC的优点包括：带隙更宽，导致临界击穿电压更高，电子速度更高，开关速度更快。对于给定的额定电压，管芯尺寸可以小得多，从而具有低导通电阻，再加上显着更好的导热性，从而可以降低损耗并降低运行温度。较小的裸片尺寸还减少了器件电容，从而降低了开关损耗，而SiC固有的高温性能反而降低了热应力。

当实现为SiC FET时，采用United SiC将SiC JFET与Si-MOSFET共封装的共源共栅布置，常关器件可实现快速，低损耗的体二极管，高雪崩能量额定值和自限性短路条件下的电流。

SiC FET具有简单的栅极驱动器，可与较早的Si-MOSFET甚至IGBT兼容，因此，通过提供兼容的封装，可以轻松地从较早的器件类型进行升级。

对于高开关频率应用，现在还提供扁平的DFN8x8封装，该封装可最大程度地减小引线电感，因此非常适合诸如LLC和相移全桥转换器之类的硬开关和软开关应用。

使用该威廉希尔官方网站 ，United SiC UF3C系列器件突破了障碍，这是首款采用凯尔文4引脚TO-247封装，在1200V类器件中RDS（ON）低于10毫欧的SiCFET。

United SiC中使用的SiC晶圆已发展到六英寸的尺寸，其规模经济性使其可与硅的价格水平保持一致，并用于大众市场应用以及尖端的创新产品。

二、进一步改善SiC FET的驱动力

SiC FET正在接近理想的开关，但是市场仍然要求更多。

EV逆变器需要尽可能高的效率以增加行驶距离；高功率DC-DC以及数据中心/5G应用中的AC-DC转换器必须消耗尽可能少的功率，以最大程度地减少能量损失，占地面积和成本；工业界希望使用更小，更高效的电机驱动器，以更好地利用工厂空间。

同时，SiC的其他新应用也已经开发出来，可以利用SiC的一些优势。例如，固态断路器现在在高电流水平下的损耗非常低，甚至线性电源电路（如电子负载）也比SiC更好。具有扩展的安全操作区域（SOA）的设备。

随着系统工程师认识到在减小尺寸和冷却要求，同时节省能源和硬件成本的机会的同时，他们希望拥有更多相同的器件，以及具有更广泛应用的设备，例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项。

三、比较SiC设备特性及未来发展方向

在比较当前SiC 设备及其发展趋势时，各个参数并不一定具有启发性，比如低于10毫欧的设备在100V的额定电压下并不算优越，但在1200V的电压下却是最先进的。

同样，如果管芯面积较大，则会导致高电容和随之而来的开关损耗，因此在1200V时低RDS（ON）不太有用。

因此，使用商定的“品质因数”（FOM）是有用的，低值结合了低电阻和开关损耗以及每个晶片的裸片数量的措施，从而降低了成本。

EOSS，为设备输出电容充电所需的能量对于降低开关损耗非常重要，而对于总损耗而言，有用的直接FOM也是RDS（ON）。

碳化硅改良参数：

显然，对于关键的FOM，SiC相对于其他开关类型而言是一个巨大的进步，但更高性能的范围又是什么呢？

还需要考虑其他可能与FOM改进相抵触的参数。下图显示了一些，箭头指示了运动方向，以获得更好的性能。BV是临界击穿电压，COSS是输出电容，Qrr是反向恢复电荷，ESW是开关时的能量损失，Diode Surge是体二极管效应峰值电流额定值，SCWT是短路耐受额定值，UIS是未钳位的电感性开关额定值和RthJ-C是外壳热阻的结点。

SiC FET特性及其发展方向：现在是蓝色，将来是橙色

一些特性会相互增强好处，例如较小的模具尺寸可降低COSS，从而降低ESW；其他则需要权衡取舍，例如，减少芯片体积可能会导致UIS能源评级降低。峰值雪崩电流不会受到影响，这是与低能量杂散电感相关的过冲或雷电测试的典型结果。

但是，在电池和封装设计方面进行改进的有用组合还有很多余地，可以看到RSD（ON）。减半后的骰子明显变小。然后，COSS也将以相同的比例下降，而ESW相应下降。通过对RDS（ON）进行相应的改进，可以使芯片更薄，但United SiC相信这不会以额定电压为代价，而额定电压将随着新的750V标准电压等级而升高至1700V。

挑战不断涌现，例如原材料需要达到零缺陷和完美的平坦度的要求，但是在每片晶片的裸片数量以及“交叉”方面，成品率一直在不断提高。SiC在其发展曲线的开始阶段仍然是一个相对较年轻的威廉希尔官方网站 ，并且像以前的MOSFET一样，在成本和性能方面都有很大的未来改进前景。

四、SiC封装的演变

随着SiCFET器件的改进和扩展到不同的应用领域，可以预料封装选项也将扩大。

目前，TO-247零件很受欢迎，因为它们可以作为某些MOSFET和IGBT的直接替代品，并且许多类型是四引线的，包括用于栅极驱动的开尔文连接。这有助于克服源极引线电感的影响，否则会导致漏极-源极di/dt较高而导通。D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L，TO247以及最近从United SiC推出的表面贴装薄型DFN8x8封装均经过优化，以最小的封装电感实现了高频工作。

将来，将提供其他SMD封装，其中大多数采用银烧结模压连接，以实现更好的热性能。模块中的多个SiC裸片也将变得更加广泛，单个裸片的额定电压可能高达1200V，而使用堆叠式“超级级联”排列以实现非常高的功率时，额定功率可能高达6000V或更高。这些将通常用于固态变压器，MV-XFC快速充电器，风力发电系统，牵引力和HVDC。

五、展望未来

电力应用领域的创新是迅速的，无需费吹灰之力就能看到半导体开关需要发展以符合市场期望。然而，采用新的性能基准，SiC可以遵循一条明确的道路来满足需求。United SiC当前正在开发新设备，以应对越来越广泛的应用。