碳化硅 (SiC) 是一种由硅 (Si) 和碳 (C) 构成的半导体化合物，属于宽带隙 (WBG) 质料系列。它的物理联合力非常强，使半导体具有很高的机器、化学和热稳健性。宽带隙和高热稳健性许可 SiC器件在高于硅的结温下利用，乃至凌驾 200°C。碳化硅在功率应用中的重要上风是其低漂移区电阻，这是高压功率器件的要害身分。

得益于杰出的物理和电子特性，基于 SiC 的功率器件正在推动电力电子设置装备摆设的彻底厘革。只管这种质料早已为人所知，但它作为半导体的利用相对较新，这在很大水平上是因为大型和高质量晶片的可用性。近几十年来，人们的高兴会合在开辟特定且奇特的高温晶体生长工艺上。只管 SiC 具有差别的多晶型晶体布局（也称为多型），但 4H-SiC 多型六方晶体布局最得当高功率应用。

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碳化硅的重要性能有哪些？

硅与碳的联合使这种质料具有杰出的机器、化学和热性能，包罗：

• 高导热性
• 低热膨胀和优秀的抗热震性
• 低功率和开关消耗
• 高能效
• 高事情频率和温度（事情温度高达 200°C 结点）
• 小芯片尺寸（具有雷同的击穿电压）
• 本征体二极管（MOSFET 器件）
• 杰出的热治理，可低落冷却要求
• 寿命长

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碳化硅在电子范畴有哪些应用？

碳化硅是一种非常得当电力应用的半导体，这重要归功于它可以或许蒙受高电压，比硅可利用的电压高十倍。基于碳化硅的半导体具有更高的热导率、更高的电子迁徙率和更低的功率消耗。碳化硅二极管和晶体管还可以在更高的频率和温度下事情，而不会影响可靠性。SiC 器件的重要应用，比方肖特基二极管和 FET/MOSFET 晶体管，包罗转换器、逆变器、电源、电池充电器和电机操纵体系。

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为什么SiC在功率应用中克服了Si？

只管是电子产物中利用最遍及的半导体，但硅开始表现出一些范围性，尤其是在高功率应用中。这些应用中的一个相干身分是半导体提供的带隙或能隙。当带隙很高时，它利用的电子设置装备摆设可以更小、运行得更快、更可靠。它还可以在比其他半导体更高的温度、电压和频率下运行。硅的带隙约为 1.12eV，而碳化硅的带隙值约为 3.26eV 的近三倍。

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为什么碳化硅能蒙受这么高的电压？

功率器件，尤其是 MOSFET，一定可以或许处置惩罚极高的电压。因为电场的介电击穿强度比硅高约十倍，SiC 可以到达非常高的击穿电压，从 600V 到几千伏。SiC 可以利用比硅更高的掺杂浓度，而且漂移层可以做得非常薄。漂移层越薄，其电阻越低。理论上，给定高电压，单元面积漂移层的电阻可以低落到硅的1/300。

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为什么SiC在高频下的体现优于IGBT？

在大功率应用中，已往重要利用 IGBT 和双极晶体管，目标是低落高击穿电压下显现的导通电阻。然而，这些设置装备摆设提供了明显的开关消耗，导致发热题目限定了它们在高频下的利用。利用碳化硅可以制造肖特基势垒二极管和 MOSFET 等器件，实现高电压、低导通电阻和快速运行。

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哪些杂质用于掺杂 SiC 质料？

在纯碳化硅的情势下，其举动雷同于电绝缘体。通过受控添加杂质或掺杂剂，SiC 可以体现得像半导体。P型半导体可以通过掺杂铝、硼或镓来得到，而氮和磷的杂质则孕育发生N型半导体。碳化硅在某些条件下具有导电本领，但在其他条件下不克不及导电，这取决于红外辐射、可见光和紫外线的电压或强度等身分。与其他质料差别，碳化硅可以或许在很宽的范畴内操纵器件制造所需的 P 型和 N 型地区。因为这些缘故原由，碳化硅是一种实用于功率器件的质料，可以或许降服硅的范围性。

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碳化硅怎样实现比硅更好的热治理？

另一个紧张参数是热导率，它是半导体怎样散发其孕育发生的热量的指标。假如半导体不克不及有用散热，则器件可以蒙受的最大事情电压和温度会受到限定。这是碳化硅优于硅的另一个范畴：碳化硅的导热率为 1490 W/mK，而硅的导热率为 150 W/mK。

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SiC反向规复时间与Si MOSFET相好比何？

SiC MOSFET 与其硅对应物一样，具有内部体二极管。体二极管提供的重要限定之一是不盼望的反向规复举动，当二极管关断同时承载正正向电流时会产生这种情形。是以，反向规复时间 (trr) 成为界说 MOSFET 特性的紧张指标。图 2 表现了 1000V 基于 Si 的 MOSFET 和基于 SiC 的 MOSFET 的 trr 之间的比力。可以看出，SiC MOSFET的体二极管非常快：trr和Irr的值小到可以纰漏不计，能量丧失Err大大低落。

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为什么软关断对付短路爱护很紧张？

SiC MOSFET 的另一个紧张参数是短路耐受时间 (SCWT)。因为 SiC MOSFET 据有的芯单方面积非常小且具有高电流密度，是以它们蒙受大概导致热断裂的短路的本领每每低于硅基器件。比方，对付采纳 TO247 封装的 1.2kV MOSFET，在 Vdd=700V 和 Vgs=18V 时的短路耐受时间约为 8-10 μs。随着 Vgs 减小，饱和电流减小，耐受时间增添。随着 Vdd 的低落，孕育发生的热量越少，耐受时间越长。因为关断 SiC MOSFET 所需的时间极短，当关断率 Vgs 较高时，高 dI/dt 会导致严峻的电压尖峰。是以，应利用软关断来渐渐低落栅极电压，幸免显现过压峰值。

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为什么断绝式栅极驱动器是更好的选择？

很多电子设置装备摆设都是低压电路和高压电路，相互互连以实行操纵和供电功效。比方，牵引逆变器通常包罗低压低级侧（电源、通讯和操纵电路）和次级侧（高压电路、电机、功率级和帮助电路）。位于低级侧的操纵器通常利用来自高压侧的反馈信号，假如不存在断绝屏蔽，则很简单受到破坏。断绝屏蔽将电路从低级侧电断绝到次级侧，形成单独的接地参考，实现所谓的电流断绝。这可以防备不必要的 AC 或 DC 信号从一侧传输到另一侧，从而破坏电源组件。

文稿泉源：Stefano Lovati