碳化硅让功率器件更加高效

碳化硅让功率器件更加高效

尽管坠落的陨石非常罕见，但作为外太空的一种天然矿物质（似乎不是非常罕见），碳化硅（SiC）通常被人们看作是一种复合物质，此物质是美国发明家爱德华·古德

里奇·艾奇逊于19世纪90年代发现的。爱德华·古德里奇·艾奇逊在此之前离开了托马斯·爱迪生（白炽灯先驱）的团队，并从事人造金刚石的开发工作。正是在此过

程中，当使用碳弧光灯对铁碗中的粘土和焦炭混合物进行加热时，他注意到了一些闪耀的蓝色晶体。后来他获得了许多专利，并首次将超硬晶体硅与碳的化合物作为产品（如砂纸、研磨和切割工具）中的磨料应用于我们的生活中，且在之后将该物质应用于防弹背心、汽车制动器和火箭发动机、发光二极管（早在1907年，世界

首根发光二极管，您能相信吗）以及功率半导体中。

为什么碳化硅可应用于功率半导体中？主要原因是它的能带隙较宽，这决定了需要多少能量来使电子在SiC材料上的能带之间进行跳变，使其载流。三个电子伏周围的宽带隙意味着热量、辐射和其他外部因素将不会对其性能产生破坏性影响。

因此，碳化硅是在这些特性方面（例如允许运行温度和辐射暴露）优于硅的材料，并且在高电压情况下绝缘击穿电场强度方面也拥有有利的性能；高电子速度意味着可以在较高频率下使用该材料；用于散热的高导热性为其提供了可在功率器件中使用的较大潜能。

或者更简单地说，可保证小型设计中高温下的更高效率和更少损失。因此，为什么不普及碳化硅的应用呢？我们想说，在不久以后——当在一些应用过程中阻碍商业化的晶体缺陷问题被持续解决之后、生产效率改善之后，瑞萨电子公司将在一段时间内生产肖特基势垒二极管。碳化硅功率场效应晶体管（SiCPowerMOSFET）和

绝缘栅双极晶体管（IGBT）已经面临SiC和二氧化硅接口方面的额外挑战，但是，在反复对这些问题进行广泛调查之后，情况日益得到了改善，由于持续开发SiC-MOSFET，已经可以使用瑞萨电子的混合器件，并将容易使用的传统硅MOSFET

与大规模导通电阻改进相结合，使其具有更高效率，同时也增加了约26%的效率，我们的混合IGBT将SiC二极管嵌入到IGBT包内，节省了传统需要的大约50%的PCB空间，前提是还应考虑由于减少的热损失而导致散热器更小。

除了大量SiC元件供应商的晶体生产产量以及工艺效率提高之外，市场因素在引领碳化硅电力技术（尤其是在效率方面）方面也发挥了一定作用。在一些应用中（例如空调和太阳能阵列），对于有效功率变换的需求非常强，并且功率切换效率和逆变电路由立法以及客户态度所支配。

出于这种考虑，瑞萨电子开发了在功率变换及其他此类应用中使用的碳化硅肖特基势垒二极管（SBD），以确保更快转换速度以及更低运行电压。

可以看到SiCSBD（如瑞萨RJS6005TDPP）的第一个优点是切换速度，这使得与传统产品相比，SiCSBD的切换功率损失降低了40%。

当将二极管从打开切换至关闭时，规定的正向电流通过它之后，由于连接位置处积聚了少量载流，反向电流将会出现。从打开切换至关闭后恢复至规定电流值所需的时间为反向恢复时间。

SiCSBD拥有的反向恢复时间为15纳秒，这比同等硅快约40%。（注意这是在

IF=15A、di/dt=300A/us条件下测量的标准值）。反过来，与硅产品相比，此更快的切换速度也使得功率损失减少了40%到60%。使用者也获得了更简单的EMI控制电路设计这一优点，进一步减少了成本、PCB空间，并缩短了进入市场时间。

碳化硅器件中显示的减少切换损失也通过为设计师提供在更高频率下运行的选项，保证了进一步的效率增加。另一方面，使用配备有IGBT并且频率降低的二极管将进一步减少热损失，从而为进一步减小散热器尺寸提供了机会。

研发者还探讨了电压下降，并且当将SiC与硅进行比较时，这一点同样让人印象深刻。SiCSBD（例如瑞萨RJS6005TDPP）的正向电压额定值仅为1.5V，这比现有硅

快速触发二极管的正向电压额定值小。此外，温度对这一特性的依赖性较小，这就意味着即使在高温下运行时也能达到稳定的正向电压，而反过来意味着可以采取较少的散热措施，即再次减少了系统成本。

瑞萨RJS6005TDPP使用等同于行业标准TO-220的包装，并且它还具有兼容的管脚，使得其可以轻易取代传统二极管。瑞萨产品可以使用一排电流小于等于30A、且它们的电压容差目前为600V此后将为1200V的二极管。

图1给出了目前可以使用的瑞萨器件。

图1：碳化硅二极管（RJS60系列）阵列

这些仅仅是碳化硅进入电子器件生产领域的开始。市场研究表明，SiC半导体器件市场于2012和2022年之间开始以约38%的复合年增长率进行增长。因此，虽然目前碳化硅可能仅占功率器件的约1%，但所有碳化硅期间将很快充斥整个市场。