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前言
碳化硅（SiC）材料是功率半导体行业主要进步发展方向，用于制作功率器件，可显著提高电能利用率。SiC器件的典型应用领域包括：新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网等现代工业领域，在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。
一、 SiC的材料优势
碳化硅（SiC）作为宽禁带材料相较于硅（Si）具有很多优势，如表1所示：3倍的禁带宽度，有利于碳化硅器件工作在更高的温度；10倍的临界击穿电场，有利于碳化硅器件实现更高的耐压；更高的饱和电子漂移速度，有利于实现更快的开关速度；3倍的热导率，有利于提高器件散热效率。因此，碳化硅器件具有高耐压、低导通阻抗、开关速度快及热导率高等特性，有助于满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。
二、 SiC的性能优势
1、SiC SBD可将耐压提高到3.3kV，极大扩展了SBD的应用范围 肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作，正向压降比PN结低。同时SBD是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。目前主流Si SBD耐压均在200V以内，更高电压应用往往选择Si FRD，尽管FRD技术不断发展，但仍然无法完全消除反向恢复的问题。SiC的SBD可以将耐压提高到3.3kV，极大地扩展了SBD的应用范围。
2、SiC SBD开关损耗低，可提高系统效率
下图为相同规格的Si FRD和SiC SBD在不同温度下的反向恢复电流对比，其中SiC SBD是我司推出的SiC SBD产品，Si FRD是国际一线品牌主流的Si FRD产品。由数据可知，在常温25℃下，SiC SBD的反向恢复比Si FRD略好，当温度升高到125℃时，SiC SBD的反向恢复几乎不变，而Si FRD的反向恢复电流增加了两倍。 图：（1）25℃下反向恢复对比 图：（2）125℃下反向恢复对比 反向恢复电荷会增加系统损耗，当发生反向恢复时，反向恢复电流往往会流经开关器件，增加开关器件的开启损耗。采用双脉冲测试系统对开启损耗进行测试，结果如下图所示，常温25℃，采用SiC SBD开启损耗略好，但125℃时采用Si FRD的开启损耗为SiC SBD的两倍。 图：双脉冲测试不同温度开启损耗对比
3、SiC SBD可以降低电流尖峰，改善系统EMI
如前文所说，反向恢复电流会流经开关器件，从而增加开关器件开启过程的尖峰电流。在系统工作过程中，变化的电压信号和电流信号之间相互转换，在回路中形成干扰源，造成系统电磁兼容的问题。改善电磁兼容问题通常可以降低开关器件的工作速度以减小噪声源，但会降低系统效率；或者增加滤波网络、磁珠等器件，但会增加系统成本。而采用SiC SBD可以降低电流尖峰，从而减小干扰源。下图为SiC SBD替换Si FRD的EMI对比测试结果，曲线100MHz左右，SiC SBD比Si FRD低4dBuV左右，采用SiC SBD能够改善系统电磁兼容问题。
图：EMI对比测试结果
4、SiC SBD具有正温度系数的导通电压，可提高并联使用的可靠性
二极管的导通损耗主要由正向导通电压VF值决定，当VF值越小，二极管导通损耗越小，但VF是与温度相关的参数。下图为实测的正向导通电压VF与温度关系曲线，在测试范围内，SiC SBD的VF值随温度升高而升高，为正温度系数；而Si FRD的VF值随温度升高而降低，为负温度系数。对于Si FRD，由于VF的一致性问题，VF越低的器件流经的电流越大，温度升高降低VF，导致电流集中在一颗器件上使器件发热失效；对于正温度系数的SiC SBD则不存在此问题，VF较小的器件流经的电流较大，温度升高后VF值升高，降低流经的电流，从而实现电流均衡分配，因此可并联使用。
图：不同温度下的正向导通压降
三、 SiC SBD 在Boost PFC中的应用
Boost PFC作为Boost拓扑的一种典型应用，可以提高系统输入的功率因素，同时可以提供稳定的输出电压，常作为中间级用于各种领域的AC/DC电源中。主机电源应用环境恶劣，对电源效率、可靠性等参数要求较高，因此，选用750W的主机电源对SiC SBD和Si FRD进行对比测试。
如下图所示，其中CR Micro（SiC SBD）是华润微的SiC SBD产品，Comp. A是国际一品牌同规格SiC SBD产品，而Comp. B是国际一线品牌的Si FRD。常温下，在整个功率范围内，CR Micro和Comp. A的SiC SBD效率相当，比Comp. B的Si FRD效率高0.24%左右，如果器件温度提高到125℃，效率最高可以提高0.832%。 图：常温下效率曲线对比
系统运行过程中，二极管反向恢复的电流流经开关器件，因此除了对系统效率的影响，对开关器件的温升影响较大。下图是系统效率和开关器件温升对比图形，其中柱形图是开关器件的温度，曲线为系统的效率，横坐标为运行时间。由图可知，随着运行时间的拉长，系统温度在升高，SiC SBD和Si FRD的效率差距在不断拉大，并且采用Si FRD的开关器件的温度较高。运行时间300s时，SiC SBD比Si FRD的效率高0.4%左右，Si FRD的开关器件温度高了9.3℃。
图：开关器件的温升
综上，SiC SBD无反向恢复、能并联使用等特性使其在替换Si FRD时具有明显的优势。没有反向恢复，减小反向恢复带来的开关损耗从而提高系统效率，同时避免反向恢复引起的振荡，改善系统的EMI；具有正温度系数的导通电压，有利于器件并联使用过程中的均流，提高并联使用的可靠性。通过在产品设计中合理选择SiC SBD，可以提高产品性能，降低产品的综合成本。
作为国内功率半导体行业的龙头企业，华润微电子在宽禁带半导体领域匠心深耕，利用全产业链优势，从产品设计、制造工艺、封装技术和系统应用等方面大力推进SiC器件产品产业化。华润微SiC SBD系列产品具有可媲美国际先进水平的卓越产品性能，均已实现量产和稳定销售，主要应用于新能源汽车、充电桩、工业电源、光伏逆变、通讯电源等大功率、高频、高效率领域。
附：华润微电子SiC SBD产品列表
附：华润微电子SiC SBD料号列举
650V SiC SBD
CRXI04D055G2 CRX106D065G2 CRX108D055G2 CRXFOBD065G2 CRX110D065G2 CRXIN10D065G2 CRXF10D065G2 CRX112D055G2 CRX116D065G2 CRX120D065G2 CRXU10D065G2 CRXU12D055G2 CRXQ16D065G2 CRXU16D065G2 CRXQ20D065G2 CRXU20D065G2 CRXQ32D065G2 CRXU30D065G2 CRXO40D065G2 CRXL04D065G2 CRXD04D065G2 CRXL05D065G2 CRXD06D065G2 CRXL08D065G2 CRXD08D065G2 CRXL10D065G2 CRXD10D065G2 CRXS04D065G2 CRXB04D065G2 CRX506D065G2 CRXB05D065G2 CRXS08D065G2 CRXB08D065G2 CRXS10D065G2 CRXB10D065G2 CRXB20D065G2 CRXB30D065G2 CRXM04D065G2 CRXM06D065G2 CRXN08D065G2 CRXN12D055G2 CRXH40D065G2
1200V SiC SBD
CRXI02D120G2 CRX103D120G2 CRXI05D120G2 CRXI10D120G2 CRX115D120G2 CRXI20D120G2 CRXQ10D120G2 CRXQ20D120G2 CRXQ30D120G2 CRXQ40D120G2 CRXU10D120G2 CRXU15D120G2 CRXU20D120G2 CRXU30D120G2 CRXU40D120G2 CRXL02D120G2 CRXL03D120G2 CRXL05D120G2 CRXD05D120G2 CRXL10D120G2 CRXB20D120G2 CRXS20D120G2 CRXB30D120G2
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发表于 2023-10-6 11:50:17
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