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碳化硅 (SiC)是一種新興的新型寬禁帶 (WBG) 材料，特別適用于具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。然而，大家對(duì)它的諸多不了解限制了設(shè)計(jì)人員對(duì)它的充分利用。

圖 1：SiC 晶圓圖片

有些人認(rèn)為，氮化鎵 (GaN) 是硅 MOSFET 的首選替代品，而 SiC 純粹是 IGBT 的替代品。然而，SiC 具有出色的 R_DS(ON)*Qg品質(zhì)因數(shù) (FoM) 和低反向恢復(fù)電荷 (Qrr)，這使其成為圖騰柱無橋 PFC 或同步升壓等硬開關(guān)應(yīng)用的理想選擇。

圖 2：安森美(onsemi) 1200V EliteSiC M3S快速開關(guān)MOSFET和半橋模塊，具有超低的導(dǎo)通電阻。（該款產(chǎn)品及碳化硅仿真工具正在參評(píng)“2023全球電子成就獎(jiǎng)創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)”，快來為安森美投票吧，點(diǎn)此進(jìn)行投票。）

與IGBT相比，SiC MOSFET 的雪崩耐受性更好，如果發(fā)生短路，SiC 與適當(dāng)?shù)?a target="_blank">柵極驅(qū)動(dòng)器一起使用的話，至少可以與 IGBT 一樣強(qiáng)固。

由于 SiC 經(jīng)常用于工作頻率為 10-20 kHz 的電動(dòng)汽車 (EV) 主驅(qū)應(yīng)用中，因此有些人可能會(huì)認(rèn)為，它是一種低頻技術(shù)。但是，芯片面積的減小會(huì)使柵極電荷 (Qg) 降低，這意味著 SiC 器件可以成功用于 100 kHz 的圖騰柱無橋 PFC (TPPFC)和 200-300 kHz 的軟開關(guān) LLC。

顯然，驅(qū)動(dòng) SiC 器件確實(shí)需要采用不同于硅器件的方法。負(fù)關(guān)斷柵極電壓并不總是必需的；一些具有良好布局的應(yīng)用已經(jīng)證明，可以不需要負(fù)關(guān)斷柵極電壓。不過，要想最大限度地消除由于“抖動(dòng)”引起的意外導(dǎo)通，使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)通常被認(rèn)為是很好的設(shè)計(jì)方案。

目前市場(chǎng)上有SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器可用，而且易于使用。工程師之所以認(rèn)為 SiC 很復(fù)雜，可能是因?yàn)樗麄兿Ｍ褂霉?MOSFET 或 IGBT 驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng) SiC 器件。專用的 SiC 驅(qū)動(dòng)器具有便捷的功能，比如負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)、去飽和(DESAT)、過流保護(hù) (OCP)、過熱保護(hù)(OTP) 和其它保護(hù)。如果驅(qū)動(dòng)器用對(duì)了，驅(qū)動(dòng) SiC 就像驅(qū)動(dòng)硅 MOSFET 一樣簡(jiǎn)單。

SiC 往往被認(rèn)為價(jià)格高昂，但只要將硅 MOSFET 與等效的 SiC 器件進(jìn)行非常簡(jiǎn)單的比較就可以發(fā)現(xiàn)，SiC 器件的溢價(jià)很小。而且，SiC 器件性能的提高使得設(shè)計(jì)中其它地方的成本大幅降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消了這種輕微的溢價(jià)。

在通用的硅基 30 kW 功率方案中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，總成本的 90%都與電感和電容有關(guān)，分別占到 60%和 30%，半導(dǎo)體器件僅占總物料清單成本的 10%。用 SiC 開關(guān)取代硅 MOSFET 可使電容和電感降低 75%，從而大幅縮減尺寸和成本，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 SiC 器件的成本溢價(jià)。

下圖從更高層面上說明了，如何通過更高性能的SiC讓擊穿電壓更高的器件具有出色的R_ds(on)*Qg 特性，使得更簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在更高的頻率下工作，從而降低成本和尺寸。

此外，隨著 SiC 工作效率的提高，散熱片的數(shù)量會(huì)明顯減少（或完全無需散熱片），尺寸和成本也會(huì)得到進(jìn)一步縮減。因此，在總物料清單成本方面，SiC 設(shè)計(jì)相比等效的硅方案更勝一籌。

雖然 SiC 仍是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，但隨著它的普及，其生態(tài)系統(tǒng)已得到快速發(fā)展。供應(yīng)商提供各種封裝的 SiC 器件和相關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器，以滿足不同的應(yīng)用要求，還附帶參考設(shè)計(jì)、應(yīng)用手冊(cè)和仿真模型/工具。安森美提供了一套強(qiáng)大的在線建模和仿真工具。這款在線 PLECS 模型自助生成工具允許用戶生成其自定義電路的高保真 PLECS 模型，然后將該模型上傳到 Elite Power 仿真工具，這時(shí)安森美功率產(chǎn)品會(huì)引入其中以演示系統(tǒng)性能，其中包括半導(dǎo)體邊界建模。這種虛擬環(huán)境使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在進(jìn)入硬件環(huán)節(jié)之前快速迭代并優(yōu)化方案，從而顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

圖 3：PLECS 模型自助生成工具

供應(yīng)鏈也在不斷發(fā)展。安森美最近收購(gòu)了 GT Advanced Technologies (GTAT)。GTAT 是為數(shù)不多具有端到端供應(yīng)能力的大型供應(yīng)商，包括 SiC 晶錠批量生長(zhǎng)、襯底制備、外延、器件制造、集成模塊和分立式封裝方案。

圖 4：安森美的端到端供應(yīng)鏈

安森美將迅速拓展襯底業(yè)務(wù)，將產(chǎn)能提高五倍，并投入大量資金用于擴(kuò)大器件和模塊產(chǎn)能，爭(zhēng)取到 2024 年實(shí)現(xiàn)翻兩番，未來產(chǎn)能還將再次翻番。

盡管對(duì)于SiC目前仍有許多誤解存在，但提出合適的問題并消除這些誤解將使設(shè)計(jì)人員能夠充分利用這種新材料的全部潛力。

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