如今，在各種應(yīng)用中，SiC器件被用于實現(xiàn)高效和緊湊的轉(zhuǎn)換器。應(yīng)用范圍涵蓋所有額定功率，從空調(diào)到電池充電器，再到工業(yè)驅(qū)動甚至鐵路推進。本文討論了不同應(yīng)用的需求，重點介紹了不同電壓和功率等級的三菱電機SiC功率器件，并提供了最新發(fā)展的見解。

減少二氧化碳和負責(zé)任地使用電能是未來社會可持續(xù)發(fā)展的主要驅(qū)動力。碳化硅（SiC）及其優(yōu)越的物理性能將節(jié)省更多的電能，并使電力電子轉(zhuǎn)換器更加緊湊，從而減少寶貴材料和資源的消耗。

SiC半導(dǎo)體和經(jīng)典硅之間的主要區(qū)別在于更高的帶隙。這使得SiC材料的臨界場強提高了10倍。因此，對于相同的阻斷電壓能力，SiC芯片可以做得更薄。因此，電阻和功率損耗降低。

此外，由于帶隙較高，即使在更高的阻斷電壓（例如3300 V或6500 V）下，也可以生產(chǎn)SiC MOSFET或SiC肖特基勢壘二極管。由于開關(guān)速度高，這些單極器件具有低開關(guān)損耗并可實現(xiàn)高開關(guān)頻率。在許多應(yīng)用中，較高的開關(guān)頻率可提高其他系統(tǒng)組件（如濾波器、變壓器或電機）的功率密度。因此，電力電子轉(zhuǎn)換器變得更加緊湊，節(jié)省了材料和相關(guān)成本。

最新的SiC器件采用三菱電機的第二代SiC芯片。這些芯片在新的6英寸SiC晶圓生產(chǎn)線上制造。如圖1所示，第二代具有增強型平面MOSFET結(jié)構(gòu)。特殊的JFET摻雜曲線可以改善特定的電阻Ron，sp，同時減小MOSFET電池的寬度，如圖所示。如圖所示，這種增強型平面MOSFET技術(shù)具有出色的電阻，與其他溝槽柵極結(jié)構(gòu)相比具有很強的競爭力。此外，JFET摻雜降低了反向傳輸電容Crss。該電容會影響SiC器件的開關(guān)速度。較小的Crss允許更高的開關(guān)速度，并提高了對寄生導(dǎo)通的魯棒性，如下所述。

由于其低損耗，工業(yè)系列SiC MOSFET非常適合提高住宅太陽能逆變器的效率，并減小笨重且昂貴的無源元件的尺寸。在快速電池充電器中，SiC技術(shù)可實現(xiàn)更緊湊、同時高效的系統(tǒng)。

主要特點

N系列SiC MOSFET采用三菱電機的第二代平面SiC技術(shù)，采用JFET摻雜。與前幾代SiC技術(shù)相比，該技術(shù)具有多種優(yōu)勢。

SiC材料的高擊穿場強使1200 V級功率MOSFET具有低漂移層電阻（Rdrift）。但特定導(dǎo)通電阻的另一個重要部分是由MOSFET結(jié)構(gòu)的p阱之間的寄生JFET引起的。隨著第二代SiC技術(shù)中JFET摻雜的引入，比導(dǎo)通電阻得到改善，使MOSFET電池更小。

影響MOSFET開關(guān)行為的一個重要因素是輸入電容（Ciss）和反向傳輸電容（Crss）之間的比率。分立式SiC功率MOSFET的快速開關(guān)瞬變會導(dǎo)致MOSFET的寄生導(dǎo)通，在最壞的情況下可能導(dǎo)致災(zāi)難性的臂擊穿故障。通過降低Crss，可實現(xiàn)1450 mΩ?nC的品質(zhì)因數(shù)，其定義為導(dǎo)通電阻和柵極漏極電荷的乘積。如圖5所示，與傳統(tǒng)器件相比，這提高了約14倍的寄生自導(dǎo)通魯棒性，從而實現(xiàn)高開關(guān)速度并降低開關(guān)損耗。

用于不間斷電源、快速充電器和可再生能源高效饋入的SiC電源模塊

不間斷電源、快速充電器或可再生能源饋入等應(yīng)用通常需要比之前討論的更高的額定電流。因此，三菱電機開發(fā)了SiC功率模塊，該模塊還采用了第二代芯片技術(shù)[5]。這些模塊為需要高電流的工業(yè)應(yīng)用提供了SiC技術(shù)的優(yōu)勢，超出了分立器件的能力。提供1200 V和1700 V的電壓等級以及高達1200 A的廣泛額定電流陣容。第二代電源模塊與第一代電源模塊兼容，使我們的客戶能夠基于其現(xiàn)有設(shè)計更輕松地進行開發(fā)。

從IGBT轉(zhuǎn)換為SiC MOSFET時，短路保護的設(shè)計是一個挑戰(zhàn)，因為去飽和檢測等方法不能以相同的方式應(yīng)用。為了克服這些限制，RTC功能使用集成在MOSFET中的電流傳感器檢測短路。當(dāng)檢測到短路時，柵極電壓會自動降低以限制電流并增加短路耐受時間。這為驅(qū)動器電路提供了足夠的時間對來自RTC功能的短路信號做出反應(yīng)。

用于鐵路和電網(wǎng)應(yīng)用的高壓碳化硅模塊

除牽引逆變器外，輔助轉(zhuǎn)換器、鐵路電池充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器尤其受益于SiC功率模塊帶來的開關(guān)頻率提升。開關(guān)頻率的增加通常允許減小無源元件（如變壓器、電感器或電容器）的尺寸。此外，較高的開關(guān)頻率可能允許使用不同的軟磁芯材料。它提供了提高效率和降低成本的潛力。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對標國際品牌同行的先進品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級、車規(guī)級可靠性測試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達到國際先進水平，應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，大幅降低開關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實現(xiàn)設(shè)計用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運行。

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公司核心研發(fā)團隊中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計、可靠性設(shè)計、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項國際、國內(nèi)自主發(fā)明專利。

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編輯：黃飛

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