Dispelling The Myths About Silicon Carbide (SiC)

碳化硅 (SiC)是一种新兴的新型宽禁带 (WBG) 材料，特别适用于具有挑战性的应用。然而，由于 SiC 相对较新（尽管网上有大量信息），大家对它的诸多不了解限制了设计人员对它的充分利用。

 

图 1：SiC 晶圆图片

有些人认为，氮化镓 (GaN) 是硅 MOSFET 的首选替代品，而 SiC 纯粹是 IGBT 的替代品。然而，SiC 具有出色的 R_DS(ON)*Q_g 品质因数 (FoM) 和低反向恢复电荷 (Q_rr)，这使其成为图腾柱无桥 PFC 或同步升压等硬开关应用的理想选择。

 

图 2：安森美 (onsemi) 1200 V EliteSiC M3S 快速开关 MOSFET 和半桥模块，具有超低的导通电阻

与 IGBT 相比，SiC MOSFET 的雪崩耐受性更好，如果发生短路，SiC 与适当的栅极驱动器一起使用的话，至少可以与 IGBT 一样强固。

由于 SiC 经常用于工作频率为 10-20 kHz 的电动汽车 (EV) 主驱应用中，因此有些人可能会认为，它是一种低频技术。但是，芯片面积的减小会使栅极电荷 (Qg) 降低，这意味着 SiC 器件可以成功用于 100 kHz 的图腾柱无桥 PFC (TPPFC) 和 200-300 kHz 的软开关 LLC。

显然，驱动 SiC 器件确实需要采用不同于硅器件的方法。负关断栅极电压并不总是必需的；一些具有良好布局的应用已经证明，可以不需要负关断栅极电压。不过，要想最大限度地消除由于“抖动”引起的意外导通，使用负栅极驱动通常被认为是很好的设计方案。

目前市场上有SiC 栅极驱动器可用，而且易于使用。工程师之所以认为 SiC 很复杂，可能是因为他们希望使用硅 MOSFET 或 IGBT 驱动器来驱动 SiC 器件。专用的 SiC 驱动器具有便捷的功能，比如负栅极驱动、去饱和 (DESAT)、过流保护 (OCP)、过热保护 (OTP) 和其它保护。如果驱动器用对了，驱动 SiC 就像驱动硅 MOSFET 一样简单。

SiC 往往被认为价格高昂，但只要将硅 MOSFET 与等效的 SiC 器件进行非常简单的比较就可以发现，SiC 器件的溢价很小。而且，SiC 器件性能的提高使得设计中其它地方的成本大幅降低，远远抵消了这种轻微的溢价。

在通用的硅基 30 kW 功率方案中，我们会发现，总成本的 90% 都与电感和电容有关，分别占到 60% 和 30%，半导体器件仅占总物料清单成本的 10%。用 SiC 开关取代硅 MOSFET 可使电容和电感降低 75%，从而大幅缩减尺寸和成本，这远远超过了 SiC 器件的成本溢价。

下图从更高层面上说明了，如何通过更高性能的 SiC 让击穿电压更高的器件具有出色的 Rds（on）*Qg 特性，使得更简单的拓扑结构在更高的频率下工作，从而降低成本和尺寸。

 

 

此外，随着 SiC 工作效率的提高，散热片的数量会明显减少（或完全无需散热片），尺寸和成本也会得到进一步缩减。因此，在总物料清单成本方面，SiC 设计相比等效的硅方案更胜一筹。

虽然 SiC 仍是一项相对较新的技术，但随着它的普及，其生态系统已得到快速发展。供应商提供各种封装的 SiC 器件和相关栅极驱动器，以满足不同的应用要求，还附带参考设计、应用手册和仿真模型/工具。安森美提供了一套强大的在线建模和仿真工具。这款在线 PLECS 模型自助生成工具允许用户生成其自定义电路的高保真 PLECS 模型。然后将该模型上传到 Elite Power 仿真工具，这时安森美功率产品会引入其中以演示系统性能，其中包括半导体边界建模。这种虚拟环境使系统设计人员能够在进入硬件环节之前快速迭代并优化方案，从而显著缩短产品上市时间。

图 3：PLECS 模型自助生成工具

供应链也在不断发展。安森美最近收购了 GT Advanced Technologies (GTAT)。GTAT 是为数不多具有端到端供应能力的大型供应商，包括 SiC 晶锭批量生长、衬底制备、外延、器件制造、集成模块和分立式封装方案。（了解有关端到端 SiC 制造能力和 EliteSiC 系列方案推进可持续未来的更多信息）。

 

图 4：安森美的端到端供应链

安森美将迅速拓展衬底业务，将产能提高五倍，并投入大量资金用于扩大器件和模块产能，争取到 2024 年实现翻两番，未来产能还将再次翻番。

目前仍有许多误解存在，但提出合适的问题并消除这些误解将使设计人员能够充分利用这种新材料的全部潜力。

了解有关安森美 EliteSiC的更多信息。