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高效SiC技術的介紹和分析

摘要：隨著電力電子變換系統對于效率和體積提出更高的要求，SiC〔碳化硅〕將會是越來越適宜的半

導體器件。尤其針對光伏逆變器和UPS應用，SiC器件是實現其高功率密度的一種非常有效的手段。本文

主要介紹SiC技術優點、缺點及目前應用層面的一些瓶頸。

1.引言

由于SiC相對于Si的一些獨特性，對于SiC技術的研究，可以追溯到上世界70年代。

簡單來說，SiC主要在以下3個方面具有明顯的優勢:

擊穿電壓強度高〔10倍于Si〕

更寬的能帶隙〔3倍于Si〕

熱導率高〔3倍于Si〕

這些特性使得SiC器件更適合應用在高功率密度、高開關頻率的場合。當然，這些特性也使得大規模

生產面臨一些障礙，直到2000年初單晶SiC晶片出現才開始逐步量產。目前標準的是4英寸晶片，但是接

下來6英寸晶片也要誕生，這會導致本錢有顯著的下降。而相比之下，當今12英寸的Si晶片已經很普遍，

如果預測沒有問題的話，接下來4到5年的時間18英寸的Si晶片也會出現。

Vincotech公司十幾年前就已經采用SiC二極管來開發功率模塊。SiC二極管由于其卓越的反向恢復特

性，可以有效的減小它本身的開關損耗和IGBT的開關損耗。SiC肖特基二極管雖然已經應用了很多年，但

是還需要進一步改善價格來獲得更廣闊的市場。

最近幾年的主要研究和應用是基于SiC的有源開關器件，比方SiCMOSFET和SiCJFET.從目前電

壓等級4Kv以下的應用來看，SiCMOSET有打敗SiCJFET的勢頭。SiCMOSFET有著卓越的開關損耗

和超小的導通損耗。SiCMOSFET大批量商業化的最大障礙目前還是由于其居高不下的價格。然而我們還

是要綜合評估整個系統本錢，因為SiCMOSFET還是帶來系統整個體積和其他本錢的下降。文本會介紹一

些SiC和Si在效率、損耗方面的比照來證明SiC在高頻應用上的優勢。

采用boost模型，比照分析SiC和Si器件的損耗

我們來看一下boost電路。像光伏逆變器的前級升壓就會用到這類電路。下列圖1是典型的boost電

路拓撲。

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圖1：boost電路拓撲

我們以光伏應用中最典型關于雨水的古詩 的工況為例，輸入350V,輸出700V。輸入電流和開關頻率暫時不定。以下的

仿真比照分析會采用VincotechFlowISE仿真工具，這樣可以更快的對不同電流，不同頻率的工況做出比照

分析。這些比照分析會采用以下幾款型號來代表不同的芯片組合：

-IGBT+Si二極管

oflowBOOST0(型號：V23990-P629-F72-PM)1200V/40A超快IGBT+30A/1200VSTEALTHTH二

極管

-IGBT+SiC二極管

oflowBOOST0(型號：V23990-P629-F62-PM)1200V/40A超IGBT+3*1200V/5ASiC二極管

-SiCMOSFET+SiC二極管

oflowBOOST0SiC(型號：10-PZ12B2A045MR-M330L18Y)45m/1200VSiCMOSFET+4x10

A/1200VSiC二極管

接下來我們來看一下它們的效率比照。首先把Si二極管改成SiC二極管。圖春意盎然 2是兩者不同功率時效率

的比照曲線。當開關頻率大于4Khz時，SiC二極管對效率的改善就顯現出來。當開關頻率16Khz，電流

5A時，損耗下降50%，由1.6%下降到0.8%。如果進一步把IGBT也改成SiCMOSFET的話，損耗進一

步下降37%到0.5%。如圖3.當開關頻率進一步提高，大于32Khz時，SiCMOSFET的效果將會更加明

顯。保持輸入電流不變，進一步提升開關頻率由16khz到64Khz，損耗相對下降35%。從這里可以看出，

SiCMOSFET非常適合高頻化的應用，甚至是在大電流輸入的時候，只要能保證有較好的散熱系統。以上

的這些仿真是基于散熱器溫度80度。Si器件由于其自身的限制，在高頻、高效的應用中會有很多局限，而

SiC不同，正是其自身的屬性，剛好可以滿足更高效率、更高開關頻什么時候打春 率的應用。

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圖2：IGBT+Si或者SiC二極管，4到16Khz時不同電流的效率比照曲線

圖3：IGBT+SiC二極管和SiCMOSFET+SiC二極管，16到64Khz，不同電流的效率比照曲線

下面的幾幅圖從輸出電流能力的角度來說明SiC器件相對Si器件的優勢。例如，假設50W總損耗，

開關頻率16Khz，如圖4所示，IGBT+SiC二極管的組合，輸出電流能力比IGBT+Si二極管的組合大85%。

保持SiC二極管不變，比照IGBT和SiCMOSFET的性能。從圖5可以看出，SiCMOSFET+SiC二

極管的組合輸出電流能力比IGBT+SiC二極管要大50%。輸出能力的提升，主要的根源在于不同的芯片配

置，可以有效的減小器件的損耗。

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圖4：IGBT+Si二極管或者SiC二極管，4到16Khz時輸出電流能力和損耗的關系曲線

圖5：IGBT+SiC二極管或者SiCMOSFET+SiC二極管，16到64Khz時輸出電流能力和損耗的關系

曲線

另外一個有趣的比照是基于損耗和開關頻率。如圖6，IGBT+Si二極管的損耗，隨著頻率的改變損耗

變化幅度非常大，而IGBT+SiC二極管的損耗，隨著頻率的變化改變不是很大。尤其是在16K到48K，通

過芯片電流為5A時，其總損耗幾乎是線性的，增加幅度較小。那么如果把IGBT換成SiCMOSFET會是

什么情況呢？

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如圖7，當改用SiCMOSFET，線性的頻率范圍幾乎擴大了一倍，從1史鐵生散文 6到100Khz范圍內，損耗都是

線性的，變化很小。這就是為什么SiCMOSFET+SiC二極管的組合可以工作在高頻的原因。而我們致力

于高頻化的重要原因就是為了減小整個系統的體積和本錢。經過最后的估算，純SiC器件方案〔SiC

MOSFET+SiC二極管〕比Si器件方案〔IGBT+Si二極管〕損耗下降80%，非常有助于幫助工程師實現高

效、高功率密度的產品設計。

圖6：IGBT+Si二極管或者SiC二極管，不同電流條件下，開關頻率和損耗的關系

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圖7：IGBT+SiC二極管和SiCMOSFET+SiC二極管，不同電流條件下，開關頻率和損耗的關系

SiC器件面臨的挑戰

在如今，本錢是新產品設計背后的主要考量因素之一。目前SiC器件高昂的本錢仍是限制其贏得很多

市場份額的最主要原因。但是隨著用量的增加和新一代SiC技術的應用，這個價格障礙正逐漸被削弱。例

如，600VSiC二極管的價格從2021年到現在，已經下降了大約35%到45%。人們預計在接下來幾年里還

會再下降大約10%。1200V80mOHM的SiCMOSFET價格，預計在未來的三到四年里下降50%。這樣的

價格水準，勢必會帶來更為廣闊的應用空間。

另外一個是技術層面的挑戰。組裝和綁定線工藝必須適應SiC器件高功率密度，高溫的性能。SiC器

件在保持散熱器溫度不變的條件下，可以工作在非常高的電流密度和溫度條件下。這會使得綁定線和焊接

的結合點獲得更高的熱應力，傳統的綁定線和工藝會影響功率模塊的壽命。因此組裝和綁定工藝需要改良，

比方采用Sinte電腦怎么連接投影儀 ring〔銀燒結工藝〕，優化綁定線技術，采用銅編織帶或者大面積的銀箔接觸來克服高溫的

問題。另外，SiC芯片的缺陷密度也遠大于Si，這也是為什么常用的SiC芯片目前的電流能力都是5到10A。

當然當今最大的電流能力也能做到50A，但是本錢會很貴。

2.總結

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本文主要介紹了功率模塊中SiC二極管，SiCMOSFET對于損耗下降，效率提升的作用。這對一些要

求高效且高功率密度的設計，比方光伏逆變器，就非常有意義。研發人員采用此類的功率模塊，可以有效

的提升開關頻率，降怎么知道電腦尺寸 低光伏逆變器的體積，同時提升效率。〔文|吳鼎Vincotech中國區FAE〕