碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）与硅（Si）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）对比：碳化硅功率器件的关键优势

引言

在现代电力电子领域，碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）正迅速在高性能系统中取代传统的硅（Si）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。碳化硅的宽带隙特性使其能够实现更高的效率、更快的开关速度，以及更紧凑、热稳定性更强的设计，这些优势正在重塑电动汽车动力系统、可再生能源、工业自动化和航空航天电力平台。

什么是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）？

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）是一种基于碳化硅（一种宽带隙半导体，带隙约为3.26电子伏特）构建的场效应晶体管。该器件具有“低导通电阻（R_DS(on)）”、“极小的反向恢复”和“极快的开关速度”，同时能在较高的结温（通常可达200°C）下保持可靠运行。这些特性使得开关模式电源和逆变器中的损耗降低，磁性元件尺寸减小。

特点

高温运行（结温Tj = 175°C），在整个温度范围内导通电阻（RDS(on)）变化小

行业领先的栅氧化层稳定性（阈值电压Vth变化小于100毫伏）和栅氧化层寿命

雪崩（UIS）鲁棒性（大于100,000次脉冲）

短路耐受时间长

优势

更高的开关频率和效率

更高的功率密度

鲁棒性提升

无需碳化硅器件冗余，系统更小巧轻便

冷却要求改善，降低系统成本

我们的优势

多个外延片来源和双碳化硅晶圆厂确保长期供应

无与伦比的UIS雪崩额定值

栅氧化层耐受时间最长

以客户为导向的淘汰策略

什么是硅绝缘栅双极型晶体管（Si IGBT）？

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）将MOS栅极输入与双极传导相结合。硅绝缘栅双极型晶体管（Si IGBT）具有高电流处理能力和较强的鲁棒性，但在关断期间存在“拖尾电流”，这会增加开关损耗并限制可用频率。对于成本敏感型平台或针对较低频率优化的传统设计，它们仍然具有吸引力。

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）的优势

1）更高的效率

碳化硅的低开关损耗和低导通损耗直接提高了转换器的效率，并减少了热量产生。在产品的整个生命周期内，这不仅节省了大量的能源成本，还简化了热设计。

2）更快的开关速度

由于没有少数载流子拖尾电流，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）的开关速度比绝缘栅双极型晶体管（IGBT）快一个数量级。设计人员可以提高开关频率，以缩小磁性元件和滤波器的尺寸，从而提高功率密度。

3）更高的工作温度

经过认证的碳化硅器件在接近200°C的结温下仍能保持性能，提高了在汽车（发动机舱内）、航空航天和重型工业环境中的鲁棒性。

4）更低的冷却要求

更低的损耗和更好的热导率意味着可以使用更小的散热器和更少的气流，这转化为更低的物料清单成本、更少的噪音和更小的外壳。

5）紧凑的系统设计

更高的开关频率和更低的损耗使得功率模块更加紧凑、轻便，这对于电动汽车牵引逆变器、车载充电器（OBC）、直流 - 直流转换器和太阳能串式逆变器至关重要。

6）可靠性和使用寿命

碳化硅强大的原子键赋予其高雪崩和浪涌鲁棒性。通过适当的栅极驱动和布局，碳化硅系统可实现出色的现场可靠性和使用寿命。

应用

• 电动汽车：牵引逆变器、车载充电器（OBC）、高压直流 - 直流转换器

• 可再生能源：太阳能/风能逆变器、储能变流器（PCS）

• 工业驱动：高效变速驱动器

• 航空航天/国防：高功率密度转换器

• 服务器/电信电源：高频交流 - 直流和直流 - 直流级

常见问题解答

什么是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）？

一种宽带隙功率晶体管，具有低损耗、快速开关和高温运行的特点，是紧凑、高效转换器的理想选择。

什么时候我仍然应该使用硅绝缘栅双极型晶体管（Si IGBT）？

当成本至关重要且在已针对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）优化的平台上开关频率可以保持较低时。

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）需要不同的驱动器吗？

是的，应使用具备碳化硅驱动能力的驱动器，并带有米勒箝位、合适的栅极电阻和精心的dV/dt管理。

碳化硅是如何缩小磁性元件尺寸的？

更高的开关频率降低了所需的电感和电容，从而缩小了变压器、扼流圈和滤波器的尺寸。

碳化硅总是更昂贵吗？

器件成本较高，但由于无源元件和冷却装置尺寸更小，以及运行损耗更低，总系统成本通常会降低。