仅在过去三年中，作为半导体技术，SIC已经发展到它可以与硅竞争的水平。现在在第3代，SIC以越来越多的应用程序提供性能。
随着电动汽车、可再生能源和5G等领域的创新步伐快速增长，为了满足消费者和行业需求，电力工程师越来越多地寻找新的解决方案，以在效率、成本节约和功能方面获得优势。
Crystals of silicon carbide can be things of beauty as ‘Moissanite,’ after Dr. Ferdinand Henri Moissan, who found the material in the remnants of a meteorite in Arizona in 1893. Today, gems can be formed from silicon carbide which is difficult to distinguish from diamond and even more resistant to heat. Crystals are also now grown industrially as the basis for silicon carbide (SiC) wafers for a hugely successful new class of semiconductors — perhaps fab technicians peer into SiC ‘crystal boules’ and wonder what is next for devices using the material?
第三代SIC技术
让我们回顾一下碳化硅技术的现状，以及它与传统硅解决方案的竞争情况。与硅材料的基本特性相比，如图1所示-值越接近边缘越好。
图1。Si和SiC材料特性的比较。
这总结了碳化硅的优点:更宽的带隙导致更高的临界击穿电压和更高的电子速度，允许更快的开关。对于给定的额定电压，模具尺寸可以更小，提供低通电阻，加上显著更好的热导率，提供低损失和较冷的操作。小的模具尺寸也降低了器件的电容，从而降低了开关损耗，SiC固有的高温性能降低了热应力。
当作为SiC FET实现时，使用UnitedSiC的方法共封装SiC JFET和Si-MOSFET的级编码安排，正常关断器件会产生快速、低损耗体二极管，高雪崩额定值和短路条件下的自限电流。SiC FET有一个简单的栅极驱动，与旧的si - mosfet甚至igbt兼容，因此，有兼容的封装可用，从旧的设备类型有一个简单的升级路径。
对于高开关频率的应用，低外形的DFN8x8封装现在也可提供，使引线电感最小化，因此是硬和软开关应用的理想选择，如LLC和移相全桥变换器。
Using the technology, a barrier has recently been broken by devices in UnitedSiC’s UF3C range which are the first SiC FETs to achieve less than 10 milliohms RDS(ON) in the 1200V class of devices, in a 4-lead TO-247 package with Kelvin gate connection.
在UnitedSiC中使用的SiC晶圆已经发展到6英寸大小，规模经济允许与硅的定价水平持平，并用于大众市场应用，以及尖端创新产品。
用于进一步的SIC FET改进的司机
碳化硅场效应管正在接近理想的开关，但市场仍然要求更多;电动汽车逆变器需要尽可能高的效率来增加行驶里程;数据中心/5G应用中的高功率DC-DC和AC-DC转换器必须消耗尽可能少的功率，以最大限度地减少能源损耗、占用空间和成本;工业需要更小和更高效的电机驱动器，以更好地利用工厂空间。这个清单还在继续，标题要求是——提高效率。其他新申请SiC还开放,利用碳化硅的一些好处——固态断路器,例如,现在可以非常低损耗高电流水平甚至线性功率电路等电子负载与SiC设备更好的扩展安全操作区域(SOA)。
由于系统工程师重视减少尺寸和冷却要求，同时节省能源和硬件成本的机会，他们想要更多的相同的，以及具有更广泛应用的设备，如更高的电压和电流额定值和更多的封装选择。
比较当前和可能的未来设备
当比较目前的设备和它们可能发展到什么程度时，单个参数不一定具有启发意义——一个低于10毫欧姆的设备在100V的额定电压下不是那么令人印象深刻，但在1200V时将是最先进的;同样，如果模具面积大，在1200V时低RDS(ON)就不是很有用，这会导致高电容和相应的开关损耗。因此，使用公认的“价值数字”(FOMs)是有用的，比如RDS(ON)。A、产品的导通电阻及模区;低值结合了低电阻和开关损耗，以及每个晶圆的模具数量，从而降低了成本。
eoss，充电设备输出电容所需的能量对于低开关损耗很重要，并且再次为整体损失进行有用的直接FOM是RDS（ON）.eoss，
SiC改善参数
显然，SIC对批判FOM的其他交换机类型是巨大的改进，但甚至更好的绩效范围是什么？其他参数还需要考虑，可能会对FOM改进进行权衡。图2显示了一些，箭头表示用于更好的性能的运动方向。BV是关键击穿电压，COSS输出电容，QRR是反向恢复电荷，ESW是开关的能量损失，二极管浪涌是体二极管效应峰值电流额定值，SCWT是短路耐受额定值，UIS是未挤出的电感切换等级和RTHJ-C是符合壳体热阻的结。
图2。碳化硅场效应晶体管的特性及其演变方向。蓝色今天，橙色是一个潜在的未来情景。
一些特性相互加强益处，例如较小的模具，给出较低的焦点，因此降低ESW;其他是权衡，例如，减少模卷可能导致较低的UIS能量额定值。峰值雪崩电流将不受影响，典型的低能量流动电感相关的过冲或闪电测试。
然而，电池和封装设计的改进还有很大的空间，比如RSD(ON)。减半，死亡明显更小。大气总热量也会以同样的比例下降，大气总热量也会相应下降。随着RDS(ON)的相应改进，更薄的模具是可能的，但UnitedSiC相信，这不会以电压额定值为代价，这将提高到1700V，新的标准电压等级为750V。
面临的挑战是未来的，例如需要将原料朝向零缺陷和完美的平整度，但随后产量在每个晶片的骰子数量方面不断改进，并且也“横向推出”。请记住，SIC仍然是一个相对年轻的技术在进化曲线开始，比如MOSFET之前，具有成本和性能的重要改进的前景。
SiC封装的演变
随着碳化硅场效应晶体管器件的改进和扩展到不同的应用领域，可以预期，封装选择也将扩大。
目前，to -247部件很受欢迎，因为它们可以作为一些mosfet和IGBTS的drop-in替代品，而且许多类型是四引线，包括用于栅极驱动的开尔文连接。这有助于克服源极引线电感的影响，否则会在高漏源di/dt时造成不必要的通断。D2PAK-3L和-7L也可与TO-220-3L、TO247和最近来自UnitedSiC，表面贴装，低外形DFN8x8封装，以其最低封装电感优化高频操作。
在未来，其他SMD封装将是可用的，大多数与银烧结模贴更好的热性能。模块中的多个SiC芯片也将变得更加广泛，单个芯片的额定电压可能高达1200V，使用堆叠的“Supercascode”安排实现非常高的功率，额定电压可能达到6000V或更高。这些技术将用于固态变压器、MV-XFC快速充电器、风力发电系统、牵引和高压直流输电系统。
瞥见未来
电力应用领域的创新是快速的，不需要水晶球就能看出半导体开关需要发展以跟上市场预期。然而，有了新的性能基准，SiC可以遵循一条清晰的道路来满足需求。UnitedSiC目前正在开发一系列新设备，以解决越来越广泛的应用。
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