一.碳化硅器件的性能優(yōu)勢
碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導(dǎo)熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風(fēng)電、5G通信等領(lǐng)域，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用。
碳化硅器件有更耐高壓，在開關(guān)頻率、散熱能力和損耗等指標(biāo)上也遠(yuǎn)好于硅基器件。除了禁帶寬度更寬，碳化硅材料還具有更高的飽和電子遷移速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通阻抗，碳化硅器件相比于硅基器件的優(yōu)勢體現(xiàn)在：阻抗更低，可以縮小產(chǎn)品體積，提高轉(zhuǎn)換效率；頻率更高，碳化硅器件的工作頻率可達(dá)硅基器件的10倍，而且效率不隨著頻率的升高而降低，可以降低能量損耗；能在更高的溫度下運(yùn)行，同時冷卻系統(tǒng)可以做的更簡單。
行業(yè)方案數(shù)據(jù)，一款5kW的LLC DC/DC轉(zhuǎn)換器，其電源控制板由碳化硅器件替代硅基器件后，重量從 7kg減少到0.9kg，體積從8755cc降低到1350cc。碳化硅器件尺寸僅為同規(guī)格硅器件的1/10，碳化硅MOSFET系統(tǒng)能量損失小于硅基IGBT的1/4，這些優(yōu)勢也能夠?yàn)榻K端產(chǎn)品帶來顯著的性能提升。相同的電池搭載了碳化硅MOSFET的電動車比使用硅基IGBT的電動車?yán)m(xù)航里程增加了5%~10%。
同規(guī)格碳化硅器件性能優(yōu)于硅器件
碳化硅器件優(yōu)勢總結(jié)
二.碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)鏈
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設(shè)計、制造、封測等環(huán)節(jié)。碳化硅從材料到半導(dǎo)體功率器件會經(jīng)歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設(shè)計、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經(jīng)外延生長得到外延片。外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓，將晶圓切割成die，經(jīng)過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。
產(chǎn)業(yè)鏈上游：襯底—晶體生長為最核心工藝環(huán)節(jié)碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的47%，制造技術(shù)壁壘最高、價值量最大，是未來SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的核心。從電化學(xué)性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底材料可以分為導(dǎo)電型襯底（電阻率區(qū)15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm）。
這兩類襯底經(jīng)外延生長后分別用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。
導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。
三.碳化硅器件驅(qū)動電路設(shè)計建議
碳化硅器件的驅(qū)動選型與設(shè)計，成為發(fā)揮SiC MOSFET特性優(yōu)勢的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于SiC產(chǎn)品與傳統(tǒng)硅IGBT或者M(jìn)OSFET參數(shù)特性上有所不同，并且其通常工作在高頻應(yīng)用環(huán)境中，為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅(qū)動芯片，需要考慮如下幾個方面：
1. 驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求
由于SiC MOSFET器件需要工作在高頻開關(guān)場合，其面對的由于寄生參數(shù)所帶來的影響更加顯著。由于SiC MOSFET本身柵極開啟電壓較低，在實(shí)際系統(tǒng)中更容易因電路串?dāng)_發(fā)生誤導(dǎo)通，因此通常建議使用柵極負(fù)壓關(guān)斷。
為了使SiC MOSFET在應(yīng)用中更簡易替代IGBT，各半導(dǎo)體廠家在SiC MOSFET設(shè)計驅(qū)動特性接近硅IGBT。常規(guī)碳化硅器件的驅(qū)動電壓在+18V左右,在某些應(yīng)用中可以使用15V柵極開通電壓，更低的驅(qū)動電壓+12V。而柵極關(guān)斷電壓最低為-5V左右。因此，理想的適用于SiC MOSFET的驅(qū)動芯片應(yīng)該能夠覆蓋各種不一樣的柵極開通和關(guān)斷電壓需求，至少需要驅(qū)動芯片的供電電壓壓差Vpos-Vneg可達(dá)到25v。
雖然SiC MOSFET具有較小的柵極電容，所需要的驅(qū)動功率相對于傳統(tǒng)IGBT顯著較小，但是驅(qū)動電流的大小與開關(guān)器件工作速度密切相關(guān)，為適應(yīng)高頻應(yīng)用快速開通關(guān)斷的需求，需要為SiC MOS選擇具有較大峰值輸出電流的驅(qū)動芯片，并且如果輸出脈沖同時兼具足夠快的上升和下降速度，則驅(qū)動效果更加理想，這就意味著要求驅(qū)動芯片的上升與下降時間參數(shù)都比較小。
2．滿足較短死區(qū)時間設(shè)定的要求
在橋式電路結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時間的設(shè)定是影響系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個關(guān)鍵因素。SiC MOSFET器件的開關(guān)速度較傳統(tǒng)IGBT有了大幅提高，許多實(shí)際使用都希望能因此進(jìn)一步提高器件的工作頻率，從而提高系統(tǒng)功率密度。這也意味著系統(tǒng)設(shè)計中需要較小的死區(qū)時間設(shè)定與之匹配，同時，選擇較短的死區(qū)時間，也可以保證逆變系統(tǒng)具有更高的輸出電壓質(zhì)量。
死區(qū)時間的計算，除了要考慮開關(guān)器件本身的開通與關(guān)斷時間，尤其是小電流下的開關(guān)時間之外，驅(qū)動芯片的傳輸延時也需要考量。尤其對于本身開關(guān)速度較快的開關(guān)器件，芯片的延時在死區(qū)設(shè)定的考量中所占的比重更大。另外，在隔離型驅(qū)動設(shè)計中，通常采用的是一拖一的驅(qū)動方式，因此，芯片與芯片之間的參數(shù)匹配差異，也需要在死區(qū)設(shè)定時一并考量。要滿足較小死區(qū)時間的要求，選擇驅(qū)動芯片時，需要相應(yīng)的參考芯片本身傳輸延時時間參數(shù)，以及芯片對芯片的匹配延時。
3．芯片所帶的保護(hù)功能
1）短路保護(hù)
SiC MOSFET與傳統(tǒng)硅MOSFET在短路特性上有所差異，不同型號SiC MOSFET短路承受能力存在差異，但短路保護(hù)響應(yīng)時間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測方法，根據(jù)開關(guān)管輸出特性，SiC MOSFET漏源極電壓大小可反映電流變化。與硅IGBT相比，SiC MOSFET輸出特性曲線的線性區(qū)及飽和區(qū)沒有明顯過渡，發(fā)生短路或過流時電流上升仍然很快，這就意味著保護(hù)電路需要更快的響應(yīng)速度來進(jìn)行保護(hù)。
針對SiC MOSFET的短路保護(hù)需求，需要選擇檢測速度快，響應(yīng)時間短的驅(qū)動芯片進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計。
此外，根據(jù)IGBT的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，每次開通時，需求設(shè)定一段消隱時間來避免由于開通前期的Vce電壓從高位下降所導(dǎo)致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時間的需要，又對本只有3us的SiC MOSFET的短路保護(hù)電路設(shè)計提出更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動芯片的DESAT相關(guān)參數(shù)具有更高的精度，以實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)設(shè)計。同時，也需要更優(yōu)化的驅(qū)動電路的PCB設(shè)計，保證更小的環(huán)路寄生電感的影響。
2）有源米勒箝位
SiC MOSFET的柵極開啟電壓較低，加上其寄生電容小，它對驅(qū)動電路寄生參數(shù)的影響也更加敏感，更容易造成誤觸發(fā)，因此常推薦使用負(fù)壓進(jìn)行關(guān)斷。但同時，由于SiC MOSFET所能承受的柵極負(fù)壓范圍較小，過大的負(fù)向電壓尖峰可能擊穿開關(guān)管，某些廠家提出推薦較高的負(fù)壓關(guān)斷，甚至0v關(guān)斷。此種情況下，為保證器件在關(guān)斷期間不因米勒效應(yīng)發(fā)生誤觸發(fā)，可以使用帶有有源米勒箝位功能的驅(qū)動芯片進(jìn)行設(shè)計。
4. 芯片抗干擾性（CMTI）
配合SiC MOSFET使用的驅(qū)動芯片，處于高頻應(yīng)用環(huán)境下，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。常用于評估驅(qū)動芯片抗擾度的參數(shù)為CMTI?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對磁隔離型驅(qū)動芯片抗擾性地測量方法，兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，這與實(shí)際SiC MOSFE開通和關(guān)斷都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI參數(shù)可以作為衡量用于驅(qū)動SiC MOSFE的驅(qū)動芯片抗擾度的技術(shù)參考。
四.碳化硅MOS管封裝分類
按照安裝在PCB板上的方式來劃分，MOS管封裝主要有兩大類：插入式和表面貼裝式。
插件封裝主要有 ：TO-247-3、TO247-4、TO220F 。
插件碳化硅MOSFET產(chǎn)品是市場通用器件，可用于各種PFC和橋式整流電路，應(yīng)用市場主要包括：汽車OBC、DC-DC、充電樁、空調(diào)變頻器、光伏逆變器、UPS、大功率LED電源、通信電源、各種工業(yè)設(shè)備電源等，功率從幾百瓦到幾百千瓦不等。
貼片封裝主要有：DFN5×6、DFN8×8、TO-263-7、TOLL.
貼片封裝碳化硅MOSFET產(chǎn)品，主要用于各種小功率電源PFC電流或其他整流電路，功率范圍主要在0~3000W，電視電源、家電電源、手機(jī)適配器、電腦適配器、新能源汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器、小功率OBC、微型逆變器等。
五.碳化硅器件的應(yīng)用優(yōu)勢案例
六.碳化硅器件的產(chǎn)品線6寸碳化硅芯片-碳化硅二極管-碳化硅MOS管-碳化硅模塊
當(dāng)前的SiC技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以適用在從千瓦到兆瓦功率的工業(yè)應(yīng)用范圍中，影響了能源、工業(yè)和汽車等眾多領(lǐng)域。由于SiC器件運(yùn)作時的溫度較低，及較小的磁性器件，因此在系統(tǒng)中所需的熱管理和電源器件的尺寸更小、重量更輕、成本更低，從而降低了整體BOM成本，同時也實(shí)現(xiàn)了更小的占用空間。
隨著SiC技術(shù)的快速發(fā)展，在電力傳輸系統(tǒng)也開始大量采用SiC解決方案，特別在ESS應(yīng)用中，像是電動汽車充電系統(tǒng)，以及利用電池儲存電能的太陽能系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器、雙向逆變器（交流電和直流電互相轉(zhuǎn)換）、電池充電電路，都可以采用SiC技術(shù)的器件，將可提升3%的系統(tǒng)效率，以及提高50%的功率密度，并減少無源器件的體積和成本。
