代碳化硅（SiC）半導(dǎo)體器件具有值得稱道的性能，使得越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域切實(shí)獲益。但是隨著電動(dòng)車（EV）、可再生能源和5G等行業(yè)的創(chuàng)新步伐越來越快，越來越多的工程師在尋找新的解決方案，對(duì)功率開關(guān)技術(shù)的要求也越來越高，以求滿足客戶和行業(yè)需求。

碳化硅由碳和硅兩種元素組成，它們在銀河系中極為豐富，含量分別排在第四位和第八位。雖然如此，但碳化硅很少在地球自然界中出現(xiàn)，僅在隕石和部分巖石沉積物中有少許痕跡。不過，它可以用人工方法相當(dāng)輕松地合成，并已經(jīng)作為研磨料（金剛砂）使用了一個(gè)多世紀(jì)。甚至在電子器件中，它也在早期無線電中作為檢波器使用，而且第一個(gè)LED效應(yīng)是于1907年利用SiC晶體產(chǎn)生的。

在電力電子學(xué)中，我們知道SiC是一種寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體，它擁有革命性的功率轉(zhuǎn)換性能，能在高頻下生成以前無法獲得的效率數(shù)據(jù)，并具有相關(guān)無源元件較小帶來的其他附帶優(yōu)點(diǎn)，尤其是磁性元件。這些都會(huì)帶來成本、重量和體積節(jié)省。

SiC FET共源共柵引領(lǐng)寬帶隙封裝

按絕對(duì)值計(jì)算，對(duì)于650V器件，SiC FET實(shí)現(xiàn)了不到7mΩ的開態(tài)電阻，對(duì)于1200V額定值，則不到10mΩ，同時(shí)價(jià)格與Si相差無幾。鑒于UnitedSiC在SOT-227形式中證明的2mΩ，1200V性能，模塊封裝中的并聯(lián)零件會(huì)表現(xiàn)得更好（圖1）。

【圖1 在額定值為1200V，2mΩ的SOT-227封裝中的六個(gè)SiC FET。】

SiC FET的一個(gè)主要應(yīng)用是，在易驅(qū)動(dòng)且兼容的柵極驅(qū)動(dòng)和受歡迎的TO-247封裝的幫助下，作為Si-MOSFET和IGBT的插入式替代品?，F(xiàn)有應(yīng)用，尤其是使用IGBT的應(yīng)用，開關(guān)頻率可能會(huì)低，但是新設(shè)計(jì)可以在新的可用DFN8x8封裝中利用SiC FET的高頻和高邊際變化率能力。這會(huì)讓電感顯著降低，使其成為LLC和相移全橋轉(zhuǎn)換器等軟硬開關(guān)應(yīng)用的理想選擇。通過SiC FET溝道進(jìn)行的固有反向傳導(dǎo)可充當(dāng)?shù)蛽p耗、快速恢復(fù)體二極管，也對(duì)這方面有益。

作為IGBT和Si-MOSFET的直接替代品，SiC FET用于升級(jí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS逆變器、焊機(jī)、大功率交直流和直流轉(zhuǎn)換器等等。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，可以在不改變開關(guān)頻率的情況下不斷提高效率，同時(shí)溝道中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗會(huì)降低，柵極驅(qū)動(dòng)電流也會(huì)減小，這會(huì)使得IGBT耗散大量功率，而Si-MOSFET耗散的功率更多。

通常會(huì)對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行調(diào)整，實(shí)施簡單更改，以降低SiC FET的開關(guān)速度。還可以考慮其他益處，如降低緩沖電路的體積，甚至去掉整流二極管，該二極管在IGBT驅(qū)動(dòng)中是必需的，但是可以被SiC FET體二極管效應(yīng)有效替代。在電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器應(yīng)用中，會(huì)有一些效率增益，如果頻率提高，相比IGBT解決方案，電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)可以更高效平穩(wěn)地運(yùn)行。在工業(yè)和汽車驅(qū)動(dòng)中，效率提高可以解決對(duì)更小的體積和更長的單次充電行駛里程的迫切需求。

車載和靜態(tài)電動(dòng)車電池充電器也都使用SiC FET獲得優(yōu)勢。在這種情況下，低損耗、高頻率運(yùn)行可以允許輸出濾波器中使用小得多的磁性元件，從而降低重量、體積和成本，進(jìn)一步提高車載充電機(jī)實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)車單次充電行駛里程。使用SiC FET、在100kW+電平下運(yùn)行、直流輸出電壓為400V或800V的路邊快速充電器也因此受益，效率節(jié)省超過IGBT。按需并聯(lián)的獨(dú)立SiC FET器件通常很實(shí)用且成本較低，是昂貴的IGBT模塊的替代品。整體看來，可以節(jié)省成本和散發(fā)到環(huán)境中的能量。

在包括大功率交直流和直流轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的所有功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中，有越來越多的新設(shè)計(jì)使用SiC FET。在從頭開始設(shè)計(jì)時(shí)，可以發(fā)揮出器件的全部潛力；后接諧振轉(zhuǎn)換級(jí)的圖騰柱功率因數(shù)校正能實(shí)現(xiàn)非常高的效率，無論是LLC還是帶同步整流的相移全橋，它們都使用SiC FET在高頻下開關(guān)。之后，在冷卻硬件、濾波和能量存儲(chǔ)磁性元件、電容器、緩沖電路、外殼等方面都會(huì)發(fā)生后續(xù)節(jié)省，這些都能降低總系統(tǒng)成本并降低碳排放。

SiC FET的性能驚人，但是設(shè)計(jì)師總是想要更多，節(jié)省能量和成本并同時(shí)提高功能的壓力讓這種性能需求更加迫切。迅速擴(kuò)張的市場有5G基礎(chǔ)設(shè)施、電動(dòng)車/混合動(dòng)力車、可再生能源發(fā)電和數(shù)據(jù)中心，而且在所有情況下，下一代SiC FET技術(shù)都能在實(shí)現(xiàn)更好的性能方面發(fā)揮作用。

【圖2. 引人注目的SiC FET特性及其比例變化、進(jìn)化方向。藍(lán)色表示現(xiàn)在，橙色表示未來可能情形。】

封裝也將發(fā)展

未來世代