SiC，为何是大势所趋？

成本效益关系非常复杂而且变化无常，电力工程师很难将其量化。本文介绍了 SiC 半导体如何成为基于持续改进并比旧有技术更具成本竞争力的解决方案。

这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布，该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商，它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。

对环境效率和能源效率的追求推动了有关 SiC-FET 的设计决策。

随着电动汽车、可再生能源和 5G 等领域的创新步伐不断加快，为满足消费者和行业的需求，越来越多的工程师也在寻求全新解决方案，并对技术提出了更高的要求。SiC 半导体是可以满足这些需求的优选方案，其本身也在不断改进，能提供比旧技术更具成本竞争力的性能。

爱尔兰诗人、小说家和童话故事家 Oscar Wilde 在《温夫人的扇子》剧本中写道，愤世嫉俗者 “知道所有东西的价格，却不知道任何东西的价值”。这句话常用来讽刺那些目光短浅、没有大局观的人。他将 “愤世嫉俗者” 与关注收益而非成本的 “远见者” 放在了对立面进行比较。

而电力工程师有时需要同时扮演这两个角色。虽然指定组件的价格仍然昂贵，但组件的成本和所能带来的改进效果通常存在一种比较复杂的成本效益关系，随着时间推移这种关系还会不断发生变化，且往往难以量化。比如说功率半导体。作为一种相对较新的颠覆性创新技术，SiC 在首次商业化时的售价必然是高昂的，尽管大多数工程师明知 SiC 比硅基产品（如 IGBT 和 Si-MOSFET）更具有潜在优势，但仍会将其置于 “可有可无” 清单的末端。然而，随着 SiC 价格的不断下跌，及其性能的不断改进，SiC 的可靠性得到了证明，在工程师心中的地位也不断提升，如今已成为现有旧技术部件的替代品和新设计的切入点。SiC 的使用取决于具体应用。太阳能和电动汽车工程师率先采用了该技术，因为提高效率一直是其所在领域高度优先的考虑因素。但随着晶圆成本的降低、性能的提高、节能的价值以及相关组件成本的降低，更广泛应用领域的工程师实在是没有理由不做出点改变了。

图 1：SiC 系统成本低于 IGBT 解决方案

SiC 的固有优势不少，比如具有较高的临界击穿电压、较高的工作温度、出色的导通电阻，还兼具晶粒面积小巧、开关损耗品质因数较佳、开关速度快等优点。使用常闭共源共栅的 UnitedSiC “第 3 代” SiC-FET 最新器件进一步扩大了应用范围。对于 1200V 和 650V 器件，我们 UF 系列的最新产品具有同类最低的导通电阻，分别小于 9 毫欧和 7 毫欧。该系列器件具有低损耗的体二极管效应，在过电压和短路情况下能保持固有的稳健性，且与 Si-MOSFET 或 IGBT 一样易于驱动。事实上，使用 TO-247 封装后，这些器件可以作为多数 Si-MOSFET 或 IGBT 部件的简易替换器件，为您即时实现性能提升。针对新设计，UnitedSiC 还推出了低电感、热性能增强型 DFN8x8 封装，该封装利用了 SiC-FET 的高频功能。

图 2：SiC FET 栅极驱动兼容现有技术，具有出色的栅极保护功能

“远见者” 在价值方程式中加入了用户和环境效益，且出于系统节能的考虑，他们越来越倾向于使用 SiC-FET 进行设计。我们能做的事情还有很多。如果我们围绕 SiC-FET 进行系统设计，就可以在避免显著降低效率的情况下，提高开关频率，甚至可以消除分立式整流二极管和缓冲器网络等组件。此外其他相关组件（如散热器、电感/变压器和电容）的尺寸、重量和成本也会随之减少。在极端情况下，甚至可以去除本身效率低下的整个冷却系统，从而可以节省更多成本。尤其是在电动汽车牵引逆变器应用中，效率的提升更是一个良性循环。因为基于 SiC 的逆变器使用了更轻巧的组件，所以电池充电后的续航时间变得更长了，这也进一步延长了车辆的行驶里程。

SiC 技术仍在不断发展，并有望进一步提升性能。在下一代产品中，导通电阻将随着开关损耗的减少进一步降低，额定电压也将提高，晶圆尺寸将进一步缩小，且产量将得以提高，从而实现成本降低。未来也将会出现更多的变型版本，并提供更广泛的封装选项，以适用于更高电压和功率水平的应用。

Oscar Wilde 还说过：“成功是一门科学；如果具备相应的条件，就可以获得相应的结果”。目前的条件非常适合 SiC，而且只会越来越好。在计算价值时，不使用 UnitedSiC 产品进行创新的成本可能会让您大吃一惊。