幾十年來，基于硅的半導體開關一直主導著功率轉換領域，IGBT 和 Si MOSFET 提供了成熟、穩健的解決方案。然而，當寬帶隙 (WBG) 器件于 2008 年開始商用，采用碳化硅 (SiC) JFET，然后在 2011 年推出 SiC MOSFET時，范式發生了變化。新技術承諾更高的效率和更快的開關，隨之而來的好處是節能和更好的功率密度。然而，雖然制造商已經成功地克服了產量和性能問題，但 SiC 開關仍然不方便使用，因為 SiC JFET 是常開器件，而 SiC MOSFET 需要非常特殊的柵極驅動才能獲得最大性能。

然而，UnitedSiC 率先采用了 SiC 開關的不同實現方式，將 SiC JFET 與低壓 Si MOSFET 作為“共源共柵”組合在單個封裝中，形成了他們所謂的“SiC FET”，結合了 WBG 的速度和效率技術與硅 MOSFET 的簡單柵極驅動。

第 3 代做好了準備

SiC FET Gen 3 技術成為許多高增長市場的關鍵推動因素，例如電動汽車、充電器、IT 基礎設施、電路保護和替代能源。隨著 SiC 制造能力的提高，這些設備開始趕上硅等更傳統的材料，因為這種新技術變得更容易獲得和負擔得起。

高功率系統特別展示了 SiC FETS 的優勢，高端超結設計過渡到 650V SiC，具有 1200V 和 1700V SiC 部件，有效地取代了 IGBT，甚至是最好的 Si 超結 MOSFET。

第 3 代也出現了同類最低的 R DS(ON)，當時 UnitedSiC 發布了RDS(ON)在 650V 時 <7mohm 和 1200V時 9mohm 的器件。

市場需求推動進一步改進

電源轉換市場對更高的功率密度和效率有著永無止境的需求，包括更低的靜態和動態損耗以及更多的熱和電氣設計余量。在越來越廣泛的硬開關和軟開關應用中，這一切都不會影響可靠性或成本。SiC FET 已成為滿足這些需求的理想解決方案，但與此同時，隨著晶圓尺寸和產量的增加，這些器件在電池充電、太陽能等 400V/500V 總線應用的更大市場中也變得具有成本效益。逆變器和電動汽車逆變器市場。

作為回應，具有突破性性能水平的新型 750V 'Gen 4' SiC FET 已投放市場，并將加速 SiC FET 在汽車和工業充電、電信整流器、數據中心 PFC 和 DC-DC 轉換以及可再生能源中的采用能源和儲能應用。

與這些應用中的替代 650V SiC MOSFET 相比，UnitedSiC 的第一個第 4 代系列部件的 750V 額定值可顯著提高運行裕度，但性能因數 (FOM) 有所提高。盡管額定電壓更高，但通過晶圓減薄和單元密度最大化方面的先進技術，可以實現比競爭 SiC MOSFET 更好的 FOM，從而降低每單位面積的R DS(ON)。這種關鍵的 FOM 結合了靜態損耗和每個晶圓芯片的經濟性測量以及小尺寸以實現低器件電容，從而實現快速切換和低動態損耗。盡管芯片尺寸減小，但由于實現了低導通電阻、碳化硅的高導熱性和先進的銀燒結芯片連接的熱性能，因此額定電流仍然很高。

第 4 代 SiC FET 如何達到標準

圖 1 中比較了 UnitedSiC 750V、第 4 代 SiC FET、UJ4C0750018K3S/4S 型和其他可比較的 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手之間的特定導通電阻 R DS(ON) A。對于此處使用的 SiC JFET，在低溫和高溫下，FOM 的顯著改進是顯而易見的。

圖 1：UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET 單位面積導通電阻與 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手的比較

還有其他一些值得比較的品質因數，例如 R DS(ON) E OSS，這在硬開關應用中尤為重要，其中輸出電容 C OSS從高電壓快速放電，導致高瞬態能量耗散 E OSS . 在制造過程中，器件輸出電容可以降低，但通常以導通電阻為代價，因此 FOM 是一個有用的比較。圖 2比較了與圖 1 中相同的 UnitedSiC 18 毫歐器件使用 SiC MOSFET 替代品和第 4 代 SiC FET 的優勢很明顯，25°C 時 FOM 提高 50%，125°C 時 FOM 提高 40%。在“圖騰柱 PFC”等硬開關應用或標準 2 電平逆變器中，體二極管中存儲的電荷也很重要，并且在 SiC FET 中非常低，積分低電壓 Si 的貢獻很小MOSFET。雖然集成 JFET 中沒有寄生體二極管，但有一條反向傳導路徑通過 JFET 通道和共同封裝的 Si MOSFET 的體二極管。體二極管壓降表現為來自硅 MOSFET 的 0.7V 拐點電壓和 JFET 通道的歐姆壓降之和，等于或小于 1.3V。相比之下，典型的 650V SiC MOSFET 體二極管可以在數百納庫侖存儲電荷的情況下下降超過 3V。

圖 2. UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET R DS(ON)、E OSS FOM 與 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手的比較

如圖 3 所示，LLC 和 PSFB 轉換器等軟開關應用也受益于使用 SiC FET——雖然這些電路中的輸出電容 C OSS(TR)不會快速放電，但它確實會在開關導通時引入延遲——充電時偏離邊緣，這會限制最大可用頻率。由于 WBG 器件開關的吸引力之一是在更高頻率下運行以減小相關組件（尤其是磁性元件）的尺寸、成本和重量，因此第 4 代 SiC FET 的超低 C OSS(TR)是一個明顯的優勢。

圖 3：UnitedSiC 750V 第 4 代 SiC FET R DS(ON)、C OSS(tr) FOM 與 650V 額定 SiC MOSFET 競爭對手的比較

UnitedSiC 的第 4 代 SiC FET 保留了主要優勢，即它們可以使用 0V-12V 柵極驅動（最大為 +/20V，由 ESD 保護二極管鉗位）安全地從完全關閉驅動到飽和。5V 的閾值電壓允許單極操作。器件短路電流由 JFET 通道控制，該通道具有很大程度上與溫度無關的閾值。因此，短路能力與高于 12V 的柵極驅動電壓無關，這種行為與 SiC MOSFET 和 IGBT 非常不同。米勒效應實際上不存在，避免了偽導通的可能性，并且提供的封裝包括開爾文連接，以避免柵極驅動環路中包含源電感，否則可能將瞬態耦合到柵極驅動中。與早期的 SiC FET 世代一樣，高最大柵極驅動電壓允許將部件改裝到現有電路中，以更改 IGBT、Si-MOSFET 和 SiC-MOSFET，而對柵極驅動布置進行很少或根本沒有修改，從而立即提高性能。作為獎勵，SiC FET 的總柵極電荷為幾十納庫侖，因此即使在高頻切換時，所需的柵極驅動功率也很小。此外，與前幾代產品一樣，第 4 代 SiC FET 具有強大的雪崩和短路額定值。

圖 4的雷達圖中總結了第 4 代 750V SiC FET 的優勢并與競爭 SiC MOSFET 進行了比較。影響硬開關和軟開關效率的參數在低溫和高溫下都顯示出來，UnitedSiC 部件在各個方面都優于 SiC MOSFET，并且肯定優于成熟的 Si MOSFET 和 IGBT。這是通過標準分立封裝中的部件實現的，使它們易于設計到新的和現有的設計中。

圖 4. UnitedSiC 750V SiC FET 在關鍵參數歸一化后的比較優勢（注意：值越低越好）

UnitedSiC 的第 3 代 SiC FET 實現的出色效率提升促進了該技術的廣泛采用，現在第 4 代通過先進的制造和封裝技術實現了全新的性能水平。與額定電壓為 750V 的部件相比，設計人員現在比通常用于中低功率總線應用中的傳統 650V 額定 Si 和 SiC MOSFET 具有額外的裕量。憑借在所有領域都表現出色的品質因數和方便、耐熱增強的封裝，第 4 代將在所有功率轉換和存儲應用中實現充電器、整流器、PFC 級和 DC-DC 轉換的效率和功率密度的新標準。

審核編輯：郭婷