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眾所周知，硅（Si）材料及其基礎上的技術方向曾經改變了世界。硅材料從沙子中提煉，構筑了遠比沙土城堡更精密復雜的產品。如今，碳化硅（SiC）材料作為一種衍生技術進入了市場——相比硅材料，它可以實現更高功率等級的功率轉換、更快的開關速度、傳熱效率上也優于硅材料。本篇博客探討了SiC材料如何提升產品性能以超越基于硅材料的領域，從而為我們全新的數字世界創造下一代解決方案。

硅基MOSFET、碳化硅（SiC）MOSFET、氮化鎵（GaN）HEMT或碳化硅（SiC）FET等功率電子器件是用于眾多市場領域的主要技術構件。長期以來，硅一直是功率電子應用中的首選半導體材料。直到最近，由于SiC技術性能和可靠性的顯著提升，人們開始從硅轉向SiC器件。

SiC的性能優勢已在電動車、白色家電、基礎設施、太陽能/可再生能源、數據中心等多個電力電子市場產生深遠的影響。得益于更大的帶隙能量（即3.3eV，而硅為1.1eV——參見圖2）和更高的擊穿電壓，SiC可用于創建更新穎、更高性能的解決方案。

如今，制造商采用SiC技術來開發基于各種半導體器件的功率電子模塊，如雙極結型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。在接下來的章節中，我們將探討為何SiC正在成為面向未來的突破性電力電子技術。

采用SiC vs.Si：優勢對比

首先，SiC MOSFET或SiC FET與硅器件相比具有若干優勢。SiC更高的擊穿電壓意味著可以使用更輕薄的器件來支持更高的電壓。另外，SiC相較于硅的其它優勢還包括：

作為一種寬帶隙材料，在高溫條件下漏電流較低；
更高的熱導率，有助于支持高電流密度應用；
更低的能量損耗，有助于最大限度減少功率損耗；
更高的開關頻率，減小了大型外圍被動元器件的尺寸和重量；
較小的裸片尺寸和較低寄生電容帶來更低的開關損耗，使得功率轉換器能夠在更高的開關頻率及速度下運行；
能夠在更高的環境溫度下正常工作，有助于減小散熱器的尺寸。

由此，我們現在可以看到SiC器件相對于硅基器件的諸多優勢；這也成為許多應用從硅轉向SiC的原因。

了解SiC的電熱優勢

在電力電子領域，如何在高功率應用中有效減少或最小化功耗損失一直是非常重要的。與此類似，滿足極端條件下的熱設計要求也是非常重要的。SiC不但能夠滿足以上這些要求，其漏極-源極電阻（R_DS(ON)）比硅器件低300到400倍。這一品質因數（FOM）是生產廠家的福音，基于這個特點，這些客戶可以設計出高效率的電力電子設備。此外，有效裸片面積相同的情況下，碳化硅器件（SiC）可以轉換的功率等級比基于硅（Si）的器件更高——換句話說，碳化硅器件（SiC）可以用更小的芯片尺寸實現相同的功率等級轉換。

此外，SiC具有較高的電熱導率和快速開關功能，以及較低的輸出電容與R_DS(ON)。因為碳化硅（SiC）器件可以轉換更高等級的能量并且理論上具備更高的開關頻率，可以幫助制造商節省系統成本。原因何在？因為這些品質因數（FOM）意味著那些被動元器件的尺寸可以大大減少，例如：變壓器、扼流圈和電感器等磁性部件，而這些器件在開關電源設計中所有開關電源設計中都必不可少的；所有這些FOM意味著碳化硅器件（SiC）將在三相逆變器、數字電源和功率電子變換器（AC/DC和DC/DC）等應用中大有作為。

效率是各個制造商當下所追求的另一個FOM。鑒于全球都在推進“綠色”能源倡議，在許多應用中，效率也已成為一個關鍵的推動因素。下文中的圖1顯示了SiC相對于硅材料可實現更高的效率；這使其成為當今許多下一代設計中的首選技術。

圖1，硅（Si）與碳化硅（SiC）的比較

SiC等寬帶隙半導體技術是下一代高效功率電子器件的理想選擇（見圖2）。SiC從650V電壓開始便表現出出色的電壓阻斷能力，且在更高電壓下所帶來的優勢更為顯著。下一代解決方案的一個關鍵舉措是“綠色（即高能效）”系統的構建。SiC則可提供這種能力——其寬帶隙特性可實現更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量，和更低的總體成本——即相當于“更環保”的解決方案。

圖2，硅（Si）和碳化硅（SiC）參數對比表格

寫在最后：一些結論

現在，我們對Si與SiC之間的比較有了更好的理解。在我們所處的全新數字世界，兩者在諸多應用中均占有一席之地；然而，在很多解決方案中，SiC能夠實現更優秀的性能指標。SiC技術能夠被應用在廣泛的電力電子解決方案中。由于具備較廣的工作柵極驅動范圍，在高頻DC/DC和AC/DC等應用中采用SiC會帶來許多優勢。此外，在電動車逆變器中使用SiC，更可獲得更低的導通損耗和強大的短路處理能力。

SiC技術的不斷進步將促使其在更多應用中得到推廣，并開拓其它領域。同時，封裝設計的進步、市場接受度的提高，以及市場空間的快速增長，都會進一步助力SiC技術應用于更多解決方案。

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原文標題：功率電子器件從硅（Si）到碳化硅（SiC）的過渡

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