领先制造商的碳化硅解决方案快速比较

碳化硅(SiC)技术正在彻底改变电力电子行业，使各种应用实现更高的效率、更紧凑的设计和更好的热性能。意法半导体(ST)、安森美(onsemi)、Wolfspeed、罗姆半导体(ROHM)和英飞凌(Infineon)等领先制造商均提供SiC解决方案，可根据特定用例提供分立器件、功率模块或裸片形式的产品。

英飞凌

英飞凌在SiC开发领域拥有超过20年的专业经验，公司采用基于沟槽的设计，以充分利用SiC MOSFET的低R_DS(on)特性，同时确保安全的氧化物场强操作。

与硅基器件不同，SiC MOSFET在阻断模式下的漏极感应电场要高得多，这可能会在导通和关断工作期间加速氧化层的退化。为了应对这一挑战，英飞凌采用了深p区来实现关断状态应力保护，并采用厚氧化层来最大限度地降低通态工作期间的缺陷脆弱性。

CoolSiC MOSFET沟槽概念是专为增强体二极管性能而设计的，它通过将沟槽底部嵌入p+区域来增加有效二极管面积。这种沟槽单元设计(图1)还可在通态和断态工作期间降低栅极氧化物中的电场强度，从而确保长期可靠性。

图1：英飞凌CoolSiC MOSFET单元结构。(来源：英飞凌)

意法半导体

意法半导体的SiC器件产品组合基于STPOWER系列SiC MOSFET，额定电压为650V至2200V，具有业界最高的200℃结温额定值。这些MOSFET符合汽车级(AG)标准，可承受极高温度，确保了在要求苛刻的应用中的可靠性和性能。

第四代STPOWER SiC MOSFET技术在电源效率、功率密度和鲁棒性方面树立了新的标杆，满足了电动汽车(EV)牵引逆变器的需求。意法半导体即将推出的750V和1200V级别的SiC MOSFET器件旨在提高400V和800V电动客车牵引逆变器的能效和性能，为中型和紧凑型电动汽车带来SiC技术的优势。

虽然意法半导体在其第一代至第四代SiC MOSFET中采用了平面技术，但该公司目前正在探索沟槽结构作为下一代技术。此外，该公司已成功通过了其第四代SiC技术平台750V级的认证，并预计在2025年第一季度完成1200V级的认证。

罗姆

2010年，罗姆成为全球第一家实现平面结构SiC MOSFET量产的公司。此后，作为SiC领域的领导者，该公司不断推动技术进步，包括在2015年推出沟槽结构，标志着其SiC MOSFET已发展到第三代，并显著缩小了其尺寸。罗姆进一步完善了其沟槽结构，并开始量产其第四代SiC MOSFET。

罗姆的第四代SiC MOSFET设计具有低导通电阻，同时保持了短路耐受能力。它们降低了开关损耗，并兼容15V栅源电压，从而提高了电源效率。这些器件适用于电动汽车牵引逆变器和开关电源等应用，在这些应用中，系统尺寸和功耗是关键考虑因素。

安森美

安森美的SiC MOSFET设计兼具快速运行和耐用性。这些器件具有高效率、系统尺寸紧凑和成本效益高的优势。与硅MOSFET相比，SiC MOSFET具有更高的阻断电压、更强的热传导性、更低的导通电阻和高得多的击穿强度。

采用SiC MOSFET的系统通常能实现更高的性能和效率，包括以更高的开关频率工作。它们还能够在高温下保持高效运行，因此适用于高温应用。此外，由于电感器和滤波器等辅助元件的尺寸较小，使用SiC MOSFET可以使系统更加紧凑。

Wolfspeed

作为SiC技术的先驱，Wolfspeed通过推出第三代650V SiC MOSFET，巩固了其在SiC技术领域的领先地位。这些先进的器件可在更广泛的电源系统中实现更紧凑、更轻便、更高效的电源转换。

650V SiC MOSFET特别适合高性能工业电源、服务器和电信电源解决方案、电动汽车充电站、储能系统、不间断电源(UPS)和电池管理系统等应用。

Wolfspeed的650V SiC MOSFET采用晶体管外形无引线(TOLL)封装，具有紧凑的占用空间、更低的损耗和高功率耗散能力(图2)，可实现高功率密度设计。

图2：采用TOLL封装的Wolfspeed C3M SiC MOSFET可实现更高的热性能。(来源：Wolfspeed)

比较不同器件

现在让我们对不同制造商的一些650V等级SiC功率MOSFET进行粗略比较。我们将重点关注针对通用工业应用的器件，例如：

• 开关电源(SMPS)
• UPS
• DC/DC转换器
• 电动汽车充电
• 太阳能光伏逆变器

比较中考虑了以下分立式SiC MOSFET：

• 英飞凌IMBG65R010M2H：这款第二代CoolSiC MOSFET 650V采用PG TO263 7封装，完全符合JEDEC工业应用标准。
• ST 650V SiC功率MOSFET SCT014TO65G3：这款第三代SiC功率器件采用TOLL封装，在整个温度范围内具有低R_DS(on)、低电容和高开关操作性能。
• ROHM 650V N沟道SiC功率MOSFET SCT3017AL：这款SiC MOSFET采用罗姆的第三代沟槽结构，采用TO-247N封装，适用于工业应用。
• Wolfspeed C3M0015065D：这款650V N沟道增强型器件采用TO-247-3封装，基于Wolfspeed第三代SiC MOSFET技术制造，实现了高效率和高功率密度，同时降低了冷却要求。
• 安森美NTBG015N065SC1：这款EliteSiC功率MOSFET采用D2PAK-7L封装，具有低导通电阻、低有效输出电容和超低栅极电荷的特性。

表1列出了所考虑器件的关键参数。

表1：从相应数据手册获得的关键参数。

关于前面数据分析的一些注意事项：

• 热阻(结到外壳或结到环境的热阻)越小，说明热性能越高，因此散热效果越好。
• 最高工作温度(表示器件可安全工作的最高温度)越高越好。
• 反向恢复电荷和反向恢复时间越短，表明体二极管的性能越好。
• 上升/下降时间和导通/关断时间与开关特性直接相关。需要注意的是，开关速度越快，动态损耗越小，但会增加电磁干扰(EMI)。
• 总栅极电荷表示MOSFET开关所需的总电荷。栅极电荷越低，开关速度越快，栅极驱动功耗也越低。
• 较低的R_DS(on)可减少传导损耗，提高效率。
• 短路耐受时间(SWCT)代表MOSFET在短路条件下发生故障前的耐受时间，在所检查的数据手册中没有报告。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：A Quick Comparison of Silicon Carbide (SiC) Solutions Across Leading Manufacturers，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。