在逆變器、電機驅動和充電器等應用中，碳化硅(SiC)器件具有更高的功率密度、降低的冷卻需求和更低的整體系統(tǒng)成本等優(yōu)勢。

盡管SiC器件的成本高于硅器件，但在1200V以上的系統(tǒng)級別優(yōu)勢，足以彌補更高的器件成本。在600V及以下，與硅的比較優(yōu)勢則顯得微不足道。SiC芯片需要特別設計的封裝和柵極驅動器，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

SiC相對于硅的優(yōu)勢

通常情況下，SiC在反向恢復階段的能量損失僅為硅的1%。幾乎不存在的尾電流使得關斷速度更快，損失顯著降低。由于需要散發(fā)的能量更少，SiC器件可以在更高頻率下開關，從而提高效率。

SiC的高效率、小尺寸和輕重量可以實現(xiàn)更高額定的解決方案或更小的設計，并減少冷卻需求。

Si、SiC 和 GaN 材料之間的主要區(qū)別

硅的性能在高溫下會惡化，而SiC則更加穩(wěn)定。為了在高溫下維持規(guī)格，硅器件通常會在室溫下超規(guī)格。通常情況下，額定電流為一半的SiC器件可以與硅IGBT執(zhí)行相同的工作，因為SiC在高溫下更加穩(wěn)定，并且不需要顯著的降額。

SiC可以在超過10kV的電壓下工作，顯著高于當前可用的電壓。現(xiàn)在已有額定為1200V和1700V的SiC器件上市。由于電弧、爬電和間隙等問題，封裝已成為限制因素，而非半導體技術。

更低的損耗

SiC模塊的主要能量損失來源于導通損失。作為一種寬禁帶材料，SiC的柵極電荷低，這意味著SiC在開關時需要的能量遠低于硅。

由于反向恢復能量和尾電流的顯著改善，二極管的開關損耗幾乎可以忽略不計。開關導通損失是電阻性的，因此在這兩種技術中是相似的。下一代SiC工藝有望進一步改善這一點。

更高的頻率意味著變壓器LC濾波器中組件的數(shù)值顯著降低，從而減少了磁性元件的尺寸和重量。

標準、硬、關閉轉換(左)和更軟的階梯式轉換，這將降低 di/dt

SiC的平均故障時間(MTTF)是硅的十倍，并且對輻射和單事件故障的敏感性低30倍。然而，SiC的短路容忍度較低，因此需要快速響應的柵極驅動器。

對于低速應用，較高頻率的開關通常并不是優(yōu)勢。在這種情況下，SiC器件的成本溢價及額外的設計考慮并不合理，因此硅IGBT更為合適。

SiC的可用性也有限。在600V/650V下，SiC器件的可用性較低，且大多數(shù)為分立元件。

硅IGBT在設計過程中對電磁干擾(RFI)問題的緩解需求較少。高性能的柵極驅動器并不需要用來管理關斷或在短路情況下迅速保護器件。

柵極驅動器

SiC器件需要特別設計的柵極驅動器。專為硅IGBT設計的驅動器無法支持SiC器件的開關速度，也無法快速響應以保護SiC器件在短路情況下的安全。

SiC器件還需要不同于硅IGBT的驅動電壓。電壓軌通常是不對稱的，通常需要幾伏的負電壓來保持器件完全關斷。

另一個考慮因素是SiC模塊需要增強關斷。更高頻率/更強開關結合較低的內部損耗，會導致電流尖峰和振鈴問題。

增強或“軟”關斷使用中間電壓步驟來管理突發(fā)電流變化的影響，并減輕振鈴。由于內部損耗的阻尼效應，硅器件受到的影響較小。

封裝問題

由于SiC帶來的性能提升，封裝技術現(xiàn)在成為主要限制因素，即使是針對SiC優(yōu)化的封裝。SanRex、英飛凌和Wolfspeed已開發(fā)出專有的SiC封裝。

SiC封裝通常比硅封裝更小、更低剖面、熱效率更高，盡管它們必須設計為對稱布局以最小化回路電感。

當芯片裝載在傳統(tǒng)封裝中時，SiC的優(yōu)勢得不到發(fā)揮，這些傳統(tǒng)封裝是為低頻開關且對上升和下降時間要求較寬松而設計的。非對稱設計在高頻時表現(xiàn)不佳，受到波傳播效應的影響。

如果要充分發(fā)揮這項技術的優(yōu)勢，必須使用特定于SiC的封裝和柵極驅動器，這使得SiC成為新系統(tǒng)設計的良好選擇。