5種羅姆常用的SiC功率器件介紹（上）

汽車日漸走向智能化、聯(lián)網(wǎng)化與電動(dòng)化的趨勢，加上5G商用在即，這些將帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)的發(fā)展。根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院估計(jì)，2018年全球SiC基板產(chǎn)值將達(dá)1.8億美元，而GaN基板產(chǎn)值僅約3百萬美元。

第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。

1、SiC肖特基二極管

因?yàn)門otal Capacitive Charge(Qc)小、可以降低開關(guān)損失,實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。而且，Si快速恢復(fù)二極管的trr會(huì)隨著溫度上升而增大，而SiC則可以維持大體一定的特性。

肖特基二極管最主要的工藝特性是反向漏電和正向壓降。SiC-SBD器件和硅肖特基類似，IV曲線雪崩部分較“軟”，不同于它替代的硅PN管。這也是很多熟悉硅PN管的應(yīng)用工程師很不習(xí)慣的地方。一般工況小、反向漏電造成的反向損耗（反向漏電×阻斷電壓）在總功耗中的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。反向漏電的重要性在于它是表征可靠性（高溫反偏和反向電壓過載）的重要指標(biāo)。經(jīng)過多年的探索，SiC-SBD器件廠家，對何種漏電水平可能引起瞬時(shí)反向電壓過載的耐受能力不足，已有足夠認(rèn)識(shí)。所以用戶在選擇產(chǎn)品時(shí)，不需要過多關(guān)注漏電水平。

我們主要介紹一下碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢，有如下特點(diǎn)：

有比超快恢復(fù)更高的開關(guān)速度，幾乎無開關(guān)損耗，更高的開關(guān)頻率，更高的效率。

有比肖特基更高的反向電壓，更小的反向漏電。

更高的工作溫度，反向漏電幾乎不受溫度影響

正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作，解決并聯(lián)導(dǎo)致可靠性下降難題。

開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)，更加穩(wěn)定。

2、SiCMOSFET

開關(guān)時(shí)的差動(dòng)放大電流原則上是沒有的，所以可以高速運(yùn)作，開關(guān)損失降低。 小尺寸芯片的導(dǎo)通電阻低，所以實(shí)現(xiàn)低容量?低門極消耗。 Si產(chǎn)品隨溫度的上升導(dǎo)通電阻上升2倍以上，SiC的導(dǎo)通電阻上升小，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的小型化和節(jié)能化。

碳化硅(SiC)MOSFET的優(yōu)異技術(shù)功能必須搭配適合的成本定位、系統(tǒng)相容性功能、近似于硅的FIT率以及量產(chǎn)能力，才足以成為主流產(chǎn)品。電力系統(tǒng)制造商需在實(shí)際商業(yè)條件下符合所有上述多項(xiàng)要素，以開創(chuàng)功率轉(zhuǎn)換的新局面，尤其是以能源效率以及「以更少投入獲得更多產(chǎn)出」為目標(biāo)的案例。

在未來，將有越來越多的功率電子應(yīng)用無法僅倚賴硅(Si)裝置滿足目標(biāo)需求。由于硅裝置的高動(dòng)態(tài)損耗，因此藉由硅裝置提高功率密度、減少電路板空間、降低元件數(shù)量及系統(tǒng)成本，同時(shí)提高功率轉(zhuǎn)換效能，即成為一個(gè)相互矛盾的挑戰(zhàn)。為解決此問題，工程師們逐漸開始采用以碳化硅材料為基礎(chǔ)的功率半導(dǎo)體來部署解決方案。

在這十多年來，諸如太陽能變頻器中的MPP追蹤或開關(guān)式電源供應(yīng)器中的功率因數(shù)校正等應(yīng)用中，使用Si IGBT加上SiC二極體或具有SiC二極體的超接面Si MOSFET已成為最先進(jìn)的解決方案，可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率及高可靠度的系統(tǒng)。市場報(bào)告甚至強(qiáng)調(diào)SiC二極體正進(jìn)入生產(chǎn)率的平原期。SiC技術(shù)中的量產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)品質(zhì)監(jiān)控以及具有優(yōu)異FIT率的現(xiàn)場追蹤記錄，為采用包含SiC MOSFET之產(chǎn)品策略奠定了下一步基礎(chǔ)。

3、SiC功率模塊

內(nèi)置的功率半導(dǎo)體元件全部由SiC構(gòu)成，與Si(硅)材質(zhì)的IGBT模塊相比，可大幅降低開關(guān)損耗。 內(nèi)置SiC-SBD、SiC-MOSFET，與傳統(tǒng)的Si-IGBT相比，在100KHｚ以上的高頻環(huán)境下工作成為可能。

羅姆于2012年3月份于全球首家開始量產(chǎn)內(nèi)置功率半導(dǎo)體元件全部由碳化硅組成的全SiC功率模塊。其后，產(chǎn)品陣容不斷擴(kuò)大，并擁有達(dá)1200V、300A的產(chǎn)品，各產(chǎn)品在眾多領(lǐng)域中被廣為采用。隨著新封裝的開發(fā)， 羅姆繼續(xù)擴(kuò)充產(chǎn)品陣容，如今已經(jīng)擁有覆蓋IGBT模塊市場主要額定電流范圍100A～600A的全SiC模塊產(chǎn)品。利用這些模塊，可大幅提升普通同等額定電流IGBT模塊應(yīng)用的效率，并可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。

開關(guān)損耗大幅降低，可進(jìn)一步提升大功率應(yīng)用的效率

羅姆利用獨(dú)有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)開發(fā)出新型封裝，從而開發(fā)并推出了600A額定電流的全SiC功率模塊產(chǎn)品。由此，全SiC功率模塊在工業(yè)設(shè)備用大容量電源等更大功率產(chǎn)品中的應(yīng)用成為可能。另外，與普通的同等額定電流的IGBT模塊相比，Tj＝150℃時(shí)的開關(guān)損耗降低了64%（與市面上銷售的IGBT模塊產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書中的數(shù)據(jù)比較）。

審核編輯黃宇