隨著電源要求、法規管制以及效率標準和EMI要求的日趨嚴格，電源越來越需要採用開關功率元件，因為開關功率元件效率更高且工作範圍更寬。與此同時，設計人員持續承受著降低成本和節省空間的壓力，面對這些需求，需要替代經典矽（Si）基MOSFET的產品。

碳化矽（SiC）現已成熟並發展到第三代，已經成為一種明智的選擇。採用SiC架構的FET具有許多性能優勢，其中最為突出的特點是效率更高、可靠性更好、熱管理問題更少，且佔用空間更小。這些產品適用於整個功率範圍，不需要徹底改變設計技術，不過可能需要進行一些調整。

本文對Si和SiC進行簡要比較，介紹Cree/Wolfspeed的SiC元件範例，並說明如何使用此類元件進行設計。

SiC與Si MOSFET比較

首先要清楚瞭解相關技術和術語：採用SiC架構的FET是MOSFET，就像之前的矽晶片一樣。從廣義上講，其內部物理結構相似，二者均為三端元件，具有源極、汲極和閘極連接。

區別正如名稱所示：採用SiC架構的FET使用碳化矽做為基材，而不僅僅是矽。業內許多人士將其稱為SiC元件，而忽略了MOSFET部分。本文將其稱為SiC FET。

為什麼選擇使用SiC化合物做為材料呢？由於各種深層物理學原因，SiC有三大電氣特性與矽明顯不同，每個特性均賦予其工作優勢。此外，SiC還有其他一些更微妙的差異（圖一）。

圖一 : SiC與Si和GaN固體材料的關鍵材料性能的大致比較。與Si相比，SiC具有更高的臨界擊穿電壓、更高的導熱率和更寬的能隙。（source：Researchgate）

這些優勢包括：

‧ 更高的臨界擊穿電場電壓（約2.8MV/cm，Si為0.3MV/cm），因而在給定的電壓額定值下工作時，可以使用更薄的層，大幅降低導通電阻。

‧ 更高的導熱率，因而在橫截面上可以實現更高的電流密度。

‧ 更寬的能隙（半導體（和絕緣體）中價帶頂部與導帶底部之間的能量差，單位為eV），使得高溫下的漏電流更低。出於這個原因，SiC二極體和FET常被稱為寬能隙（WBG）元件。

其結果是，採用SiC架構的元件其可阻斷的電壓比矽元件高出10倍左右，開關速度是矽元件的大約10倍，25℃時的導通電阻只有矽元件的一半或更低。同時，它能在最高200℃（矽元件為125℃）的溫度下工作，因而使熱設計和熱管理得以簡化。

至關重要的閘極驅動器

沒有閘極驅動器，功率元件便無法工作。閘極驅動器將低電平數位控制訊號轉換為所需的電流和電壓訊號，並為功率元件提供所需的時序（同時還提供一些保護來防範大多數類型的外部故障）。對於SiC FET，驅動器必須具備一些額外功能以達到如下目的：

‧ 最大限度地降低傳導損耗、開關損耗和閘極損耗。這些損耗包括關斷和導通能量、米勒效應以及閘極驅動電流要求。關斷能量可根據關斷狀態下的閘極電阻和閘源電壓計算出來。為了減少這些損耗，必須從閘極抽取更多的電流。有一個辦法是讓驅動器在關斷期間向閘極電壓施加負偏壓。類似的狀況，減小閘極電阻可以降低導通能量消耗。

‧ 最大限度地降低米勒效應及其負面影響；在某些情況和應用配置下，寄生電容可能會導致意外導通。米勒效應所引起的這種導通會增加反向恢復能量並增加損耗，其中一種解決方案是讓驅動器具備所謂的米勒箝位保護功能，進而在功率級開關期間控制驅動電流。

‧ 以適當的電壓提供所需的灌電流和拉電流。為使損耗最小，SiC元件需要的正偏閘極驅動（+20V）一般比矽基MOSFET高。SiC元件可能還需要-2至-6V的負OFF閘極電壓。所需閘極電流根據閘極電荷（Qg）、VDD、漏極電流ID、閘源電壓和閘極電阻進行常規計算來確定，典型值約為幾安培。該電流必須具有足夠的灌電流和拉電流額定值，其壓擺率須與SiC FET的開關速度相稱。

‧ 對電路板和元件的寄生效應（包括雜散電感和電容）進行建模並使之最小化，以免在元件的較高開關速度下，這些寄生效應引起振盪、電壓／電流過衝和誤觸發。矽MOSFET有一個較小的「尾」電流，充當阻尼器或緩衝器，可在某種程度上減少過衝和暫態振盪。SiC MOSFET沒有這種尾電流，因此漏極電壓過衝和暫態振盪可能較高並造成問題。要減少這些寄生效應，需要特別注意電路佈局問題，儘量縮短導線長度，並將驅動器放置在盡可能靠近其功率元件的地方。即使幾釐米的長度也可能很重要，因為當SiC FET以較高開關速度工作時，這些雜散電感和電容的影響更為顯著。減小暫態振盪還有一個好處，那就是能夠減少與元件的驅動側和負載側的高速開關相關EMI的產生。

儘管驅動SiC MOSFET會涉及其他問題，但許多供應商為此設計了標準IC，其特性可滿足SiC元件的特定需求。請注意，在許多設計中，閘極驅動器和SiC FET必須與低壓電路進行電隔離。這樣可以透過光學、脈衝變壓器或容性隔離技術，並利用標準零組件來實現。隔離首先是為了安全，防止使用者在電路故障時受到高壓侵害。其次，很多電路拓撲（例如電橋配置）中的MOSFET本身不接地，因而需要隔離。

新元件性能和能力

Cree/Wolfspeed於2011年1月推出了首款商業封裝的SiC MOSEFT CMF20120D（Wolfspeed是Cree的電源和射頻部門，該名稱於2015年宣佈），而SiC晶圓在幾年前便已上市。其額定值為1200V/98A，導通電阻為80mΩ（全部為25℃時的值），採用TO-247封裝。在這之後，Cree推出第二代製程技術，現在提供的則是第三代SiC MOSEFT指定C3M元件（圖二）。

圖二 : Cree的第二代（左） 和第三代（右）SiC 製程結構的比較顯示差異不大，但這些剖面圖並未顯示出最終的性能規格改進。（source：Cree/Wolfspeed）

例如C3M0280090J為900V SiC MOSFET平台之一，它針對高頻電力電子應用進行了最佳化，包括可再生能源逆變器、電動汽車充電系統和三相工業電源（表一）。