高效SiC技术的介绍和分析

1.引言

由于SiC相对于Si的一些独特性，对于SiC技术的研究，可以追溯到上世界70年代。

简单来说，SiC主要在以下3个方面具有明显的优势:

• 击穿电压强度高（10倍于Si）

• 更宽的能带隙（3倍于Si）

• 热导率高（3倍于Si）

这些特性使得SiC器件更适合应用在高功率密度、高开关频率的场合。当然，这些特性也使得大规模生产面临一些障碍，直到2000年初单晶SiC晶片出现才开始逐步量产。目前标准的是4英寸晶片，但是接下来6英寸晶片也要诞生，这会导致成本有显着的下降。而相比之下，当今12英寸的Si晶片已经很普遍，如果预测没有问题的话，接下来4到5年的时间18英寸的Si晶片也会出现。

Vincotech公司十几年前就已经采用SiC二极管来开发功率模块。SiC二极管由于其卓越的反向恢复特性，可以有效的减小它本身的开关损耗和IGBT的开关损耗。SiC肖特基二极管虽然已经应用了很多年，但是还需要进一步改善价格来获得更广阔的市场。

最近几年的主要研究和应用是基于SiC的有源开关器件，比如SiC MOSFET和SiC JFET. 从目前电压等级4Kv以下的应用来看，SiC MOSET有打败SiC JFET的势头。SiC MOSFET有着卓越的开关损耗和超小的导通损耗。SiC MOSFET大批量商业化的最大障碍目前还是由于其居高不下的价格。然而我们还是要综合评估整个系统成本，因为SiC MOSFET还是带来系统整个体积和其他成本的下降。文本会介绍一些SiC和Si在效率、损耗方面的对比来证明SiC在高频应用上的优势。

2.采用boost模型，对比分析SiC和Si器件的损耗

我们来看一下boost电路。像光伏逆变器的前级升压就会用到这类电路。下图1是典型的boost电路拓扑。

图1： boost电路拓扑

我们以光伏应用中最典型的工况为例，输入350V,输出700V。输入电流和开关频率暂时不定。以下的仿真对比分析会采用Vincotech FlowISE仿真工具，这样可以更快的对不同电流，不同频率的工况做出对比分析。这些对比分析会采用以下几款型号来代表不同的芯片组合：

-IGBT + Si 二极管

o flowBOOST 0 (型号：V23990-P629-F72-PM) 1200V/40A 超快IGBT+30A/1200V STEALTHTH 二极管

-IGBT + SiC二极管

oflowBOOST 0 ( 型号：V23990-P629-F62-PM) 1200V/40A 超IGBT+3*1200V/5A SiC二极管

-SiC MOSFET+ SiC二极管

o flowBOOST 0 SiC (型号：10-PZ12B2A045MR-M330L18Y) 45 mΩ/1200 V SiC MOSFET + 4x10 A/1200 V SiC 二极管

接下来我们来看一下它们的效率对比。首先把Si二极管改成SiC二极管。图2是两者不同功率时效率的对比曲线。当开关频率大于4Khz时，SiC二极管对效率的改善就显现出来。当开关频率16Khz，电流5A时，损耗下降50%，由1.6%下降到0.8%。如果进一步把IGBT也改成SiC MOSFET的话，损耗进一步下降37%到0.5%。如图3. 当开关频率进一步提高，大于32Khz时，SiC MOSFET的效果将会更加明显。保持输入电流不变，进一步提升开关频率由16khz到64Khz，损耗相对下降35%。从这里可以看出，SiC MOSFET非常适合高频化的应用，甚至是在大电流输入的时候，只要能保证有较好的散热系统。以上的这些仿真是基于散热器温度80度。Si器件由于其自身的限制，在高频、高效的应用中会有很多局限，而SiC不同，正是其自身的属性，刚好可以满足更高效率、更高开关频率的应用。

图2：IGBT+ Si 或者SiC二极管，4到16Khz时不同电流的效率对比曲线

图3：IGBT+ SiC二极管和SiC MOSFET+ SiC二极管，16到64Khz，不同电流的效率对比曲线

下面的几幅图从输出电流能力的角度来说明SiC器件相对Si器件的优势。例如，假设50W总损耗，开关频率16Khz，如图4所示，IGBT+SiC二极管的组合，输出电流能力比IGBT+Si二极管的组合大85%。

保持SiC二极管不变，对比IGBT和SiC MOSFET的性能。从图5可以看出，SiC MOSFET+SiC二极管的组合输出电流能力比IGBT+SiC二极管要大50%。输出能力的提升，主要的根源在于不同的芯片配置，可以有效的减小器件的损耗。

图4：IGBT+Si二极管或者SiC二极管，4到16Khz时输出电流能力和损耗的关系曲线

图5：IGBT+SiC二极管或者SiC MOSFET+SiC二极管，16到64Khz时输出电流能力和损耗的关系曲线

另外一个有趣的对比是基于损耗和开关频率。如图6， IGBT+Si二极管的损耗，随着频率的改变损耗变化幅度非常大，而IGBT+SiC二极管的损耗，随着频率的变化改变不是很大。尤其是在16K到48K，通过芯片电流为5A时，其总损耗几乎是线性的，增加幅度较小。那么如果把IGBT换成SiC MOSFET会是什么情况呢？

如图7，当改用SiC MOSFET，线性的频率范围几乎扩大了一倍，从16到100Khz范围内，损耗都是线性的，变化很小。这就是为什么SiC MOSFET+SiC 二极管的组合可以工作在高频的原因。而我们致力于高频化的重要原因就是为了减小整个系统的体积和成本。经过最后的估算，纯SiC器件方案（SiC MOSFET+SiC二极管）比Si器件方案（IGBT+Si二极管）损耗下降80%，非常有助于帮助工程师实现高效、高功率密度的产品设计。

图6：IGBT+Si二极管或者SiC二极管，不同电流条件下，开关频率和损耗的关系

图7：IGBT+SiC二极管和SiC MOSFET+SiC二极管，不同电流条件下，开关频率和损耗的关系

1.SiC器件面临的挑战

在如今，成本是新产品设计背后的主要考量因素之一。目前SiC器件高昂的成本仍是限制其赢得很多市场份额的最主要原因。但是随着用量的增加和新一代SiC技术的应用，这个价格障碍正逐渐被削弱。例如，600V SiC二极管的价格从2011年到现在，已经下降了大约35%到45%。人们预计在接下来几年里还会再下降大约10%。1200V 80mOHM的SiC MOSFET价格，预计在未来的三到四年里下降50%。这样的价格水准，势必会带来更为广阔的应用空间。

另外一个是技术层面的挑战。组装和绑定线工艺必须适应SiC器件高功率密度，高温的性能。SiC器件在保持散热器温度不变的条件下，可以工作在非常高的电流密度和温度条件下。这会使得绑定线和焊接的结合点获得更高的热应力，传统的绑定线和工艺会影响功率模块的寿命。因此组装和绑定工艺需要改进，比如采用Sintering（银烧结工艺），优化绑定线技术，采用铜编织带或者大面积的银箔接触来克服高温的问题。另外，SiC芯片的缺陷密度也远大于Si，这也是为什么常用的SiC芯片目前的电流能力都是5到10A。当然当今最大的电流能力也能做到50A，但是成本会很贵。

2.总结

本文主要介绍了功率模块中SiC二极管，SiC MOSFET对于损耗下降，效率提升的作用。这对一些要求高效且高功率密度的设计，比如光伏逆变器，就非常有意义。研发人员采用此类的功率模块，可以有效的提升开关频率，降低光伏逆变器的体积，同时提升效率。（文|吴鼎 Vincotech中国区FAE）