碳化硅行业报告：车规级SiC功率器件（24页）

行业报告下载 2022年10月09日 07:37 管理员

碳化硅（SiC）是一种由硅（Si）和碳（C）构成的化合物半导体材料。在功率半导体应用领域被认为是一种超越 Si 的材料。SiC 存在各种多型体（结晶多系），最适合于制造功率器件的是 4H-SiC。SiC 的带隙是 Si 的 3 倍，宽带隙减少了热激发载流子的数量，导致自由电子减少，漏电流降低。此外，与传统的 Si 器件相比，漏电流小，而且在更大的温度范围内稳定。SiC 的击穿场强比 Si 高 10 倍。功率电子开关最重要的功能之一是保持高电压。由于击穿场强高，SiC 器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度。因此，与相同击穿电压的硅器件相比，具有更低的电阻，并直接使产生的功率损耗更低。SiC 的饱和电子漂移速度是硅的 2 倍，这使得开关速度更快。更快的开关具有更低的开关损耗，可以在更高的脉宽调制(PWM)频率下工作。在一些电源转换拓扑结构中，更高的 PWM 频率允许使用更小、更轻和更便宜的无源元件，这些元件往往是系统中体积较大和较昂贵的部分。SiC 的导热性比硅高近 3 倍，功率损耗产生的热量可以以较小的温度变化从 SiC 中传导出去，实现更好的散热，功率电子器件的散热是系统设计的重要一环。

SiC 器件的芯片面积更小，产生的栅极电荷和电容也更小，可以实现更高的开关速度，降低开关损耗。Si 材料中越是高耐压器件，单位面积的导通电阻也越大，因此 600V 以上的电压中主要采用 IGBT。IGBT 通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比 MOSFET 还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在关断时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。使用 SiC MOSFET 模块，可以大幅减小 Si IGBT 的拖尾电流和 FRD 的反向恢复电流所产生的开关损耗，而且 MOSFET 原理上不产生尾电流，所以用 SiC MOSFET 替代 Si IGBT 时，能够明显地减少开关损耗，改善电源效率并且简化散热系统，实现散热部件的小型化。另外，SiC MOSFET 能够在 IGBT 不能工作的高频条件下驱动，通过工作频率的高频化从而也可以实现外围被动器件的小型化。SiC 适合高功率和高频率应用场景，如储能、风电、光伏、轨道交通、新能源汽车等行业。以新能源汽车应用场景为例，目前市售电动车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，采用 Si IGBT 技术的功率模块仍在电动汽车应用中占主导地位。然而，经过数十年的发展，硅基功率器件正在接近材料极限，要进一步提高其功率密度非常困难。由于电动车电压平台正在从 400V 向 800V 以上的高电压发展，相较于 Si IGBT，SiC MOSFET 凭借“耐高压”、“耐高温”、和“高频”特点，在高压系统中有望快速替代 Si IGBT，从而大幅提高汽车性能并优化整车架构，使新能源汽车具有更低的成本、更长的续航里程、更紧凑的空间设计以及更高的功率密度。