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万物云联网@SiC半导体的未来前景如何？


本文展望了SiC下一步需要做什么 ， 将在哪里应用以及如何成为功率的主导力量 。
仅在过去的三年中 ， 作为一种半导体技术 ， SiC已经发展到可以与硅竞争的水平 。 如今 ， 碳化硅已进入第三代产品 ， 其性能随着越来越多的应用而增加 。
随着电动汽车 ， 可再生能源和5G等行业的创新步伐迅速提高 ， 电力工程师越来越多地寻求新的解决方案 ， 以在效率 ， 成本节省和功能方面取得优势 ， 以满足消费者和行业的需求 。
费迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）于1893年在亚利桑那州的陨石残余物中发现了这种材料 ， 此后 ， 碳化硅晶体就可以称为“莫桑石” ， 这种晶体难以与甚至更耐热的钻石区分开来 。 如今 ， 晶体也已在工业上成长为碳化硅（SiC）晶片的基础 ， 而这种碳化硅（SiC）晶片是一种非常成功的新型半导体产品-也许有许多晶圆厂的技术人员正在凝视SiC的“晶体棒” ， 并想知道使用这种材料的设备的下一步的发展方向是什么？
第三代SiC技术
让我们回顾一下SiC技术的现状以及与传统硅解决方案的竞争优势 。 图1显示了SiC与硅相比的基本材料特性-靠近边缘的值更好 。

【万物云联网@SiC半导体的未来前景如何？】万物云联网@SiC半导体的未来前景如何？
本文插图

图1. Si和SiC材料特性的比较
这总结了SiC的优点：带隙更宽 ， 导致临界击穿电压更高 ， 电子速度更高 ， 开关速度更快 。 对于给定的额定电压 ， 管芯尺寸可以小得多 ， 从而具有低导通电阻 ， 再加上显着更好的导热性 ， 从而可以降低损耗并降低运行温度 。 较小的裸片尺寸还减少了器件电容 ， 从而降低了开关损耗 ， 而SiC固有的高温性能也有助于降低热应力 。
当实现SiC FET器件时 ， 采用UnitedSiC将SiC JFET与Si-MOSFET共封装的共源共栅布置 ， 常关器件可实现快速 ， 低损耗的体二极管 ， 高雪崩能量额定值和自限性短路条件下的电流 。SiC FET具有简单的栅极驱动级 ， 可与较早的Si-MOSFET甚至IGBT兼容 ， 因此 ， 通过提供兼容的封装 ， 可以轻松地从较早的器件类型进行升级 。
对于高开关频率应用 ， 业界现在还提供扁平的DFN8x8封装 ， 该封装可最大程度地减小引线电感 ， 因此非常适合诸如LLC和相移全桥转换器之类的硬开关和软开关应用 。
使用该技术 ， UnitedSiC UF3C系列器件最近突破了障碍 ， 这是采用凯尔文（Kelvin）栅连接的4引线TO-247封装的首款SiC FET ， 在1200V类器件中RDS（ON）低于10毫欧 。
UnitedSiC中使用的SiC晶圆已发展到六英寸的尺寸 ， 其规模经济性使其可与硅的价格水平保持一致 ， 并能用于大众市场应用以及尖端的创新产品 。
进一步改善SiC FET的驱动力
SiC FET正在接近理想的开关 ， 但是市场仍然在不断地产生新要求 。EV逆变器需要尽可能高的效率以增加行驶距离；高功率DC-DC以及数据中心/ 5G应用中的AC-DC转换器必须消耗尽可能少的功率 ， 以最大程度地减少能量损失 ， 占地面积和成本；工业界希望使用更小 ， 更高效的电机驱动器 ， 以更好地利用工厂空间 。 这种需求列表继续出现 ， 并带有显著的高要求–更高的效率 。SiC的其他新应用也已经开发出来 ， 可以利用SiC的一些优势-例如 ， 固态开路器现在在高电流水平下的损耗非常低 ， 甚至线性电源电路（如电子负载）也比SiC更好 。 具有扩展的安全操作区域（SOA）的设备 。
随着系统工程师认识到在减小尺寸和冷却要求 ， 同时节省能源和硬件成本的机会的同时 ， 他们希望拥有更多相同的器件 ， 以及具有更广泛应用的器件 ， 例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项 。
比较当前和未来可能的器件
在比较当前器件及其发展趋势时 ， 各个参数并不一定具有启发性-低于10毫欧的器件在100V的额定电压下并不算令人印象深刻 ， 但在1200V的电压下却是最先进的 。 同样 ， 如果管芯面积较大 ， 则会导致高电容和随之而来的开关损耗 ， 因此在1200V时低RDS（ON）不太有用 。 因此 ， 使用诸如RDS（ON）.A（通态电阻和芯片面积的乘积）之类的公认的“品质因数”（FOM）很有用；低值结合了低电阻和低开关损耗以及每个晶片的裸片数量增加的措施 ， 从而降低了成本 。


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