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高效SiC技术的介绍和分析

摘要：随着电力电子变换系统对于效率和体积提出更高的要求，SiC〔碳化硅〕将会是越来越适宜的半

导体器件。尤其针对光伏逆变器和UPS应用，SiC器件是实现其高功率密度的一种非常有效的手段。本文

主要介绍SiC技术优点、缺点及目前应用层面的一些瓶颈。

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，这会导致本钱有显着的下降。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，比方SiCMOSFET和SiCJFET.从目前电

压等级4Kv以下的应用来看，SiCMOSET有打败SiCJFET的势头。SiCMOSFET有着卓越的开关损耗

和超小的导通损耗。SiCMOSFET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本钱，因为SiCMOSFET还是带来系统整个体积和其他本钱的下降。文本会介绍一

些SiC和Si在效率、损耗方面的比照来证明SiC在高频应用上的优势。

采用boost模型，比照分析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。下列图1是典型的boost电

路拓扑。

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图1：boost电路拓扑

我们以光伏应用中最典型关于雨水的古诗 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

仿真比照分析会采用VincotechFlowISE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比照

分析。这些比照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

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

极管

-IGBT+SiC二极管

oflowBOOST0(型号：V23990-P629-F62-PM)1200V/40A超IGBT+3*1200V/5ASiC二极管

-SiCMOSFET+SiC二极管

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

A/1200VSiC二极管

接下来我们来看一下它们的效率比照。首先把Si二极管改成SiC二极管。图春意盎然 2是两者不同功率时效率

的比照曲线。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SiCMOSFET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，SiCMOSFET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，

SiCMOSFET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、更高开关频什么时候打春 率的应用。

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图2：IGBT+Si或者SiC二极管，4到16Khz时不同电流的效率比照曲线

图3：IGBT+SiC二极管和SiCMOSFET+SiC二极管，16到64Khz，不同电流的效率比照曲线

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，比照IGBT和SiCMOSFET的性能。从图5可以看出，SiCMOSFET+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。

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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SiCMOSFET+SiC二极管，16到64Khz时输出电流能力和损耗的关系

曲线

另外一个有趣的比照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SiCMOSFET会是

什么情况呢？

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如图7，当改用SiCMOSFET，线性的频率范围几乎扩大了一倍，从1史铁生散文 6到100Khz范围内，损耗都是

线性的，变化很小。这就是为什么SiCMOSFET+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本钱。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

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

SiC器件面临的挑战

在如今，本钱是新产品设计背后的主要考量因素之一。目前SiC器件高昂的本钱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，600VSiC二极管的价格从2021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%。1200V80mOHM的SiCMOSFET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良，

比方采用Sinte电脑怎么连接投影仪 ring〔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，但是本钱会很贵。

2.总结

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本文主要介绍了功率模块中SiC二极管，SiCMOSFET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，比方光伏逆变器，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，降怎么知道电脑尺寸 低光伏逆变器的体积，同时提升效率。〔文|吴鼎Vincotech中国区FAE〕