这导致对系统和组件级别的设计要求更加苛刻，并终影响功率器件、无源组件、冷却技术和PCB的整体一致性。
为了实现所需的增强系统性能，半导体器件必须应对更高的功率密度、更高的效率和可靠性。因此，碳化硅(SiC) 近年来引起了越来越多的关注，因为它在耐温性和性能方面树立了新标准，从而改善了开关电压和频率、开关损耗和尺寸，并且在某些应用中导致降低系统总成本。
与硅 (Si) 相比，SiC 的电击穿电场几乎高出十倍（2.8 MV/cm 与 0.3 MV/cm）。极硬基材的较高介电场强度可实现更薄的层结构并降低表面电阻。与高载流子迁移率相结合，可以产生更短的开关时间，与传统的硅半导体相比，这使得开关中的能量损耗显着减少，并且即使在相当高的环境温度下也几乎保持恒定，如图 1 所示。
图 1：SiC 在较高温度下表现出比 Si 器件更好的开关性能
开关应用中的总功率损耗包括静态损耗和开关损耗。开关损耗是由打开和关闭器件引起的，如果需要高开关频率，则需要特别考虑。电力电子系统中的开关频率通常由特定于应用和系统的限制来定义。例如，在电机驱动应用中，开关频率由交流电机所需的输出频率、整个系统的谐振性能、EMC 要求和热管理决定。
关断速度受到允许的开关过压以及共模效应等 EMC 要求的限制，然而，开启速度受到允许的峰值电流和电磁抗扰度(EMI) 的限制，两者都为可行的开关设定了框架速度。
功率半导体在开关操作期间呈现各种静态和动态状态。在任何这些状态下，能量都会耗散，使设备升温并累积到开关的整体功率损耗。因此，必须考虑适当的热管理概念，以避免过热并确保设备和整个系统的可靠性。
高压、大电流应用中的功率器件曾经是 IGBT。与 IGBT 不同，MOSFET 没有通态特性的阈值电压。 IGBT 通过将少数载流子注入漂移区来实现较低的导通电阻，但在晶体管关闭时会产生尾电流。 SiC 器件由于漂移层电阻低得多，因此不需要电导率调制来实现低导通电阻，因此不会产生尾电流。与硅基快速恢复二极管相比，SiC SBD 在相似的阈值电压下具有低得多的恢复损耗和噪声发射，并且与硅 FRD 不同，这些特性在电流范围内不会发生显着变化（图 2）。
图 2：与 Si 器件相比，SiC 在较高电流下总体上具有更好的开关特性
无数的可能性 - 应用示例
更高的开关速度可实现更高的开关频率，并使 SiC 器件特别适用于许多工业应用，例如 DC/DC 转换器、有源前端、能量回收系统、太阳能逆变器和 UPS。
对于电机驱动应用，交流电机的绝缘材料在使用 IGBT 等高速开关时是一个挑战，在使用 SiC 时更是如此。对于具有标准绝缘的工业电机，开关速度限制在 1 kV/μs 至 5 kV/μs 之间，以便限度地减少绝缘材料上的应力。通过使用 SiC，可以实现高于 15 kV/μs 的开关速度。该值取决于逆变器输出信号、耦合效应、电缆长度以及电缆类型等因素。高 dv/dt 会导致电机绝缘损坏，从而导致电机过早老化。根据应用和电机电缆的长度，需要使用 dv/dt 滤波器或正弦滤波器等输出滤波器来防止这种情况发生（如图 3 所示）。通过使用这种输出滤波器，可以使用无屏蔽的电缆，从而大大降低成本。这种滤波器的另一个好处是电机绕组中的高频电流减少，从而减少发动机中的损耗、发热和噪音。因此，整个系统的使用寿命和可靠性得到提高。
图 3：带有正弦滤波器的工业电机驱动应用
SiC 的优势在需要在逆变器输出上安装正弦滤波器的工业应用中显而易见，例如需要功率高达两位数千瓦且电机和逆变器之间电缆长度为 100 m 的电机驱动器。这些应用通常具有 50 Hz 范围内的电机频率和 10 kHz 范围内的开关频率，并且主要通过 IGBT 技术来解决。在这些开关频率较高的应用中使用 IGBT 是不可行的，因为当开关频率超过这些值时，IGBT 上会产生高热应力。
考虑到该系统中的寄生元件，例如直流链路的换向部分、电机绕组和电缆，并将该系统设想为谐振电路，该应用中的主要和常见挑战仍然是谐振频率通常接近低开关频率。这意味着 IGBT 的开关频率可能会激发谐振电路，导致系统出现高振荡，进而对无源元件和电机产生极大的热应力。为了防止这种现象，电源工程师必须在系统的热应力和谐振行为之间进行权衡。为了克服这一技术挑战，工程师通常将正弦滤波器连接到逆变器的输出，以减少这种压力。
SiC 为该市场打开了新的大门，使工程师能够为此类应用定义更高的开关频率 (>16kHz)，而 IGBT 则无法做到这一点。使用SiC可以限度地减少热应力，使开关频率远离谐振频率，纹波电流变得更小，可以缩小输出滤波器的尺寸，并提高整个系统的可靠性。
借助 ROHM 的新型全 SiC 模块，开关损耗可降低 75%。
为了说明 Si-IGBT 技术与 ROHM 第三代 SiC 技术之间的差异，我们对逆变器进行了仿真。
仿真参数如下：Vdc=600V，Imotor=200Arms，Fsw.=10KHz。
图4：IGBT、混合模块和全SiC技术之间的比较
如图 4 所示，通过使用 ROHM 的第三代 SiC MOSFET，可以显着降低逆变器应用中的开关损耗。这一出色的步骤使工程师能够提高开关频率，而无需像使用 IGBT 那样处理热应力。这也导致电感器和电容器变得更小、更轻。更小、更轻的线圈意味着减少噪音等所需的组件以及更小的散热器。总而言之，SiC 有助于缩小系统尺寸。
ROHM 的 Powers Systems 应用小组位于杜塞尔多夫附近的总部，现在可以通过彻底检查应用和客户需求、研究 SiC 技术在系统级别的优势以及终确定且成本效益的解决方案来为客户提供支持。例如，在大多数工业电机驱动应用中，交流电机的驱动输出频率仅为 50 Hz。此类应用通常不需要高开关频率。因此，对于这些应用，减少 30% 的功率损耗足以找到完美的成本/效益折衷方案。这可以通过在电路中使用结合 Si-IGBT 和 SiC 肖特基势垒二极管的混合配置而不是 Si-IGBT/Si FRD 来实现（图 4），从而显着改善热管理。即使在高工作温度下，SiC SBD 的反向恢复行为也几乎完全消除，见图 1。
图 5：ROHM 针对高功率密度逆变器应用的解决方案（以红色突出显示）
ROHM 逆变器应用解决方案
在商用碳化硅开关的开发阶段，ROHM 始终牢记不仅要提供自己的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管，还要提供有效的系统解决方案，（图 5）ROHM 提供了多种方法来降低 BOM 和生产成本，即多种基于 Si 和 SiC 的半导体器件，可满足从 DC/DC 转换器和控制单元到驱动级的各种电力电子要求的定制解决方案。肖特基二极管、超级结MOSFET、混合MOS、IGBT和FRD覆盖的电压范围为300至1200V，SiC MOSFET和SBD覆盖的电压范围高达1700V。
对于用于辅助电源的 DC/DC 转换器，在 TO268 封装中使用新型 1700V SiC MOS (SCT2H12NY) 可显着改善 Rdson（Si-MOS 为 1.15 ?，而不是 9?），并且与 Si-MOS 相比，相同封装中的电流能力更高。凭借其极低的输入电容 (Ciss)，开关频率可高于 100kHz，从而显着减小磁性元件的体积和 PCB 上的空间。通过使用 TO268 封装，现在可以实现自动组装，这意味着生产成本的显着降低，并终降低总成本。为了获得该设备的性能，ROHM 开发了一种特殊驱动器 (BD768xFJ-LB)，该驱动器带有 SOP-J8S 封装中的专用控制器。
当检查用于直流电压转换的无光耦合器隔离反激式转换器 (BD7F100HFN-LB) 的示例时，更多优势变得显而易见：市场上有两种传统解决方案。一种解决方案是在初级侧使用第三绕组。缺点是导致变压器增大，功耗增加，且输出电压控制不准确。另一种解决方案是使用附加光耦合器从次级侧获取反馈信号。这里的缺点是，这个概念需要分压器，增加了功耗，并且由于初级侧和次级侧之间的耦合电容，EMC 性能至关重要，这使得需要额外的滤波器来化 EMC 噪声。
与这些传统解决方案相比，新解决方案（BD7F100HFNLB）不需要次级侧的信号反馈，这意味着不需要光耦合器或具有第三绕组的变压器。该模块包含一个电流高达 1.25A 的 60V MOS，并以 400kHz 的恒定开关频率运行。为了确保可靠运行，反激式转换器具有低输入电压、过流、输出短路和过热保护。借助这种集成解决方案，不仅设计变得更小，而且响应时间也更快。
此外，正如 ROHM 所建议的，将隔离式栅极驱动器与功率级组件选择和设计密切相关，巩固了系统解决方案的这种方法。事实上，驱动碳化硅开关需要比传统驱动器更高的性能，这在许多领域都是如此。
要记住的个关键特性是抗共模瞬态 (CMTI)。如前所述，SiC 的开关速度可以高于 15 kV/μs，甚至可以远高于 50 kV/μs。
图 6：超出 100kV/μs 限制的共模瞬态抗扰度性能测试
通常，正如所有 ROHM 隔离栅极驱动器的特点（见图 6），100 kV/μs 是安全系统驱动应保证的安全和抗扰度。
仍然与安全支持更高的频率相关，传播延迟，特别是单通道隔离栅极驱动器的匹配至关重要。因此，传播延迟和器件间匹配的一般经验法则是分别保持在 100ns 和 50ns 以下。对于后者，一些应用甚至在不久的将来往往需要 20 纳秒左右。这种在整个温度范围内严格的时序可靠性是通过无芯变压器隔离技术实现的，这与传统 IGBT 或 MOSFET 开关的传统使用的光耦合器不同（图 7）。
图 7：传播延迟性能和再现性的基准
由于栅极电容器需要更频繁地充电，因此拥有足够的栅极电流能力可能会突破您需要添加外部推挽缓冲器的限制，从而节省数十美分以及一些传播延迟。 3 Amp 栅极电流驱动已经明显高于大多数传统解决方案，特别是基于光耦合器的解决方案。
