影響下一代功率半導體器件發展和實施的三個主要因素：對持續改進功率轉換系統效率的監管要求;市場需要更輕、更小、更具成本效益的系統，具有更集成的功能和新興應用，如電動汽車（EV）和固態變壓器（SST）。直到最近，硅一直是電力電子中使用的主要材料，盡管硅技術不斷改進，但它確實存在某些局限性，在設計不斷增長的基本電力系統要求時必須考慮到這些局限性。

設備制造商在過去十年中已經證明，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）材料在下一代功率半導體器件的開發中具有多種優勢?；赪BG的器件在性能、工作溫度、功率處理效率和提供新功能的能力方面提供了顯著的改進，這是硅基器件無法實現的。因此，WBG功率器件現在被認為是功率半導體器件的未來。

SiC器件的日益普及可以追溯到構建完整電源系統所需的所有組件的可用性，即SiC二極管、開關和模塊。這種可用性的增加是供應鏈擴大的結果，越來越多的供應商可以提供更經濟可行的定價。GaN功率器件商用的時間要短得多。由于這種不同的成熟狀態，SiC和GaN器件已經發展到支持不同細分市場中獨立但互補的功能。

SiC被用于電力系統，因為它已被證明比硅更有效。SiC MOSFET的主要優點是開關損耗非常低，可提高效率并實現更高頻率的操作。

由于寬帶隙討論可能是一個冗長的話題，本文將主要關注SiC技術在功率轉換系統中的優勢。

碳化硅材料優勢

表1所示的寬帶隙材料特性解釋了為什么基于SiC的功率器件的性能優于硅。SiC的擊穿場強是硅的十倍，而且SiC器件可以構造成以更小的漂移區域承受相同的擊穿。理論上，在相同的硅擊穿電壓下，與硅相比，SiC可以將漂移層的單位面積電阻降低到1/300。

與硅相比，SiC的介電擊穿場強度是硅的十倍，帶隙是其三倍，熱導率是硅的三倍。p型和n型區域都是在半導體材料中形成器件結構所必需的，可以在SiC中形成。這些器件可以生產具有更薄的漂移層，并具有非常高的擊穿電壓（600V及以上），但相對于硅器件而言，電阻非常低。高壓器件的電阻主要由漂移區域的寬度決定。與硅相比，在使用SiC材料相同的擊穿電壓下，漂移層每單位面積的電阻可以降低到1/300。這些特性使SiC成為最佳的功率器件材料，其性能遠遠超過硅器件。

第一個商用碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）于十多年前推出，并已設計用于許多電源系統，尤其是開關模式電源的功率因數校正（PFC）電路。技術成熟度、性能和由于產量和競爭的增加而大幅降低成本是SiC MOSFET在越來越多的應用中采用的主要原因。SiC SBD目前可提供600V-1700V的擊穿電壓額定值和1A-60A額定電流。因此，SiC器件傾向于與600V-900V范圍內的硅MOSFET和1kV+范圍內的IGBT競爭。

SiC MOSFET現在因其常關操作和電壓控制器件優勢而受到電源設計人員的更大需求。此外，與結柵場效應晶體管（JFET）和雙極結型晶體管（BJT）相比，SiC MOSFET具有柵極驅動簡單性。

高溫優勢

由于封裝技術的限制以及系統中其他組件的相關較低工作溫度，SiC功率器件的高溫能力尚未得到充分利用。

目前可用的產品的額定溫度僅為150°C至175°C，而使用特殊芯片鍵合技術的SiC功率模塊可在250°C下工作。SiC的研發測試表明，最高可達650°C，而硅半導體的上限為300°C。

此外，SiC的導熱性是硅的三倍。這些特性有助于降低冷卻需求，使SiC元件的冷卻更簡單。這使得熱系統可以更小、更輕、成本更低。

改進電源開關的推動因素

理想的電源開關能夠在導通狀態下以零壓降承載大電流，在關斷狀態下以零泄漏阻止高壓，并且在從關斷狀態切換到導通狀態時產生零能量損失，反之亦然。在硅基器件中，很難將這些理想但截然相反的特性結合起來，尤其是在高電壓和電流下。為了解決這個問題，許多設計都采用了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）器件。對于IGBT，高擊穿電壓下的低電阻是以開關性能為代價的，使用注入漂移區域的少數載流子來降低導通（導通）電阻。因此，當晶體管關閉時，這些載流子需要時間才能重新組合并從基極區域“耗散”，從而增加開關損耗和時間。

與IGBT相反，MOSFET是多數載波器件，因此它們沒有“尾部”電流。因此，SiC MOSFET可以滿足電源開關的所有三個要求——高擊穿電壓、低導通電阻和快速開關速度（圖1）。例如，與硅IGBT和快速恢復二極管（FRD）相比，ROHM將SiC MOSFET和SiC SBD集成在一個封裝中，關斷損耗降低88%，導通損耗降低34%，開關頻率在數百kHz范圍內。關斷的改善是由于MOSFET中沒有尾部電流。導通的改善是由于SiC二極管的恢復損耗要低得多。

電源系統設計可以通過低開關損耗獲得顯著優勢：

?產生的熱量更少，冷卻系統更簡單、更便宜、更小和/或更輕，最終實現更高的功率密度。

?允許增加開關頻率，以減小無源元件（電容器、電感器）的尺寸，從而降低系統成本、尺寸和重量。

?降低工作溫度，使組件不會降額太多，從而允許使用更小、更便宜的組件。在系統層面，這意味著較低額定值的SiC系統可以取代較高額定值的硅系統。

碳化硅場效應管可靠性

可靠性是電力電子設計中最重要的考慮因素之一。因此，電力系統工程師的第一個問題是：“SiC是否與硅一樣可靠？與整體可靠性相關的三個最重要的方面是柵極氧化層可靠性、柵極閾值電壓Vt的穩定性以及體二極管反向傳導的魯棒性。

柵極氧化物的電氣過應力是MOS器件的常見故障模式。因此，柵極氧化質量直接影響SiC MOSFET的可靠性。好消息是，制造商已經解決了在SiC襯底上開發高質量氧化物的問題，以最大限度地減少缺陷密度（界面和散裝陷阱），而不會影響器件壽命或電氣特性穩定性。

測量柵極氧化物MOS質量的標準測試是恒流應力時間相關介電擊穿（CCS TDDB），如圖所示。累積電荷QBD是柵氧化層的質量指標。15-20°C/cm2的值相當于硅MOSFET的值。

電源轉換系統的新時代

盡管在過去十年中取得了許多重大的技術進步，并且供應鏈不斷擴大，但SiC器件的寬帶隙技術行業要充分發揮其潛力還有很長的路要走。下一代SiC功率器件取得了長足的進步，它們處于有利地位，可以實現電動汽車和固態變壓器等大批量功率轉換應用的新時代。SiC也可以成為未來技術發展的積極催化劑，在繼續刺激市場需求的同時增強應用能力。

　　審核編輯：湯梓紅