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碳化硅 (SiC)是一種新興的新型寬禁帶 (WBG) 材料，特別適用于具有挑戰性的應用。然而，大家對它的諸多不了解限制了設計人員對它的充分利用。

圖 1：SiC 晶圓圖片

有些人認為，氮化鎵 (GaN) 是硅 MOSFET 的首選替代品，而 SiC 純粹是 IGBT 的替代品。然而，SiC 具有出色的 R_DS(ON)*Qg品質因數 (FoM) 和低反向恢復電荷 (Qrr)，這使其成為圖騰柱無橋 PFC 或同步升壓等硬開關應用的理想選擇。

圖 2：安森美(onsemi) 1200V EliteSiC M3S快速開關MOSFET和半橋模塊，具有超低的導通電阻。（該款產品及碳化硅仿真工具正在參評“2023全球電子成就獎創新產品獎”，快來為安森美投票吧，點此進行投票。）

與IGBT相比，SiC MOSFET 的雪崩耐受性更好，如果發生短路，SiC 與適當的柵極驅動器一起使用的話，至少可以與 IGBT 一樣強固。

由于 SiC 經常用于工作頻率為 10-20 kHz 的電動汽車 (EV) 主驅應用中，因此有些人可能會認為，它是一種低頻技術。但是，芯片面積的減小會使柵極電荷 (Qg) 降低，這意味著 SiC 器件可以成功用于 100 kHz 的圖騰柱無橋 PFC (TPPFC)和 200-300 kHz 的軟開關 LLC。

顯然，驅動 SiC 器件確實需要采用不同于硅器件的方法。負關斷柵極電壓并不總是必需的；一些具有良好布局的應用已經證明，可以不需要負關斷柵極電壓。不過，要想最大限度地消除由于“抖動”引起的意外導通，使用負柵極驅動通常被認為是很好的設計方案。

目前市場上有SiC 柵極驅動器可用，而且易于使用。工程師之所以認為 SiC 很復雜，可能是因為他們希望使用硅 MOSFET 或 IGBT 驅動器來驅動 SiC 器件。專用的 SiC 驅動器具有便捷的功能，比如負柵極驅動、去飽和(DESAT)、過流保護 (OCP)、過熱保護(OTP) 和其它保護。如果驅動器用對了，驅動 SiC 就像驅動硅 MOSFET 一樣簡單。

SiC 往往被認為價格高昂，但只要將硅 MOSFET 與等效的 SiC 器件進行非常簡單的比較就可以發現，SiC 器件的溢價很小。而且，SiC 器件性能的提高使得設計中其它地方的成本大幅降低，遠遠抵消了這種輕微的溢價。

在通用的硅基 30 kW 功率方案中，我們會發現，總成本的 90%都與電感和電容有關，分別占到 60%和 30%，半導體器件僅占總物料清單成本的 10%。用 SiC 開關取代硅 MOSFET 可使電容和電感降低 75%，從而大幅縮減尺寸和成本，這遠遠超過了 SiC 器件的成本溢價。

下圖從更高層面上說明了，如何通過更高性能的SiC讓擊穿電壓更高的器件具有出色的R_ds(on)*Qg 特性，使得更簡單的拓撲結構在更高的頻率下工作，從而降低成本和尺寸。

此外，隨著 SiC 工作效率的提高，散熱片的數量會明顯減少（或完全無需散熱片），尺寸和成本也會得到進一步縮減。因此，在總物料清單成本方面，SiC 設計相比等效的硅方案更勝一籌。

雖然 SiC 仍是一項相對較新的技術，但隨著它的普及，其生態系統已得到快速發展。供應商提供各種封裝的 SiC 器件和相關柵極驅動器，以滿足不同的應用要求，還附帶參考設計、應用手冊和仿真模型/工具。安森美提供了一套強大的在線建模和仿真工具。這款在線 PLECS 模型自助生成工具允許用戶生成其自定義電路的高保真 PLECS 模型，然后將該模型上傳到 Elite Power 仿真工具，這時安森美功率產品會引入其中以演示系統性能，其中包括半導體邊界建模。這種虛擬環境使系統設計人員能夠在進入硬件環節之前快速迭代并優化方案，從而顯著縮短產品上市時間。

圖 3：PLECS 模型自助生成工具

供應鏈也在不斷發展。安森美最近收購了 GT Advanced Technologies (GTAT)。GTAT 是為數不多具有端到端供應能力的大型供應商，包括 SiC 晶錠批量生長、襯底制備、外延、器件制造、集成模塊和分立式封裝方案。

圖 4：安森美的端到端供應鏈

安森美將迅速拓展襯底業務，將產能提高五倍，并投入大量資金用于擴大器件和模塊產能，爭取到 2024 年實現翻兩番，未來產能還將再次翻番。

盡管對于SiC目前仍有許多誤解存在，但提出合適的問題并消除這些誤解將使設計人員能夠充分利用這種新材料的全部潛力。

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