SiC半導(dǎo)體材料與典型硅材料的主要區(qū)別是帶隙較高。這使得SiC材料的臨界場強提高了10倍。相應(yīng)地，對于相同的阻斷電壓能力，SiC芯片可以做得更薄。因此，通態(tài)電阻和損耗也會降低。

此外，由于更高的帶隙，SiC MOSFET或SiC肖特基勢壘二極管可以承受更高的阻斷電壓(例如:3300V或6500V)。由于開關(guān)速度快，這些單極性器件具有低開關(guān)損耗，使其適合于高開關(guān)頻率應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，高開關(guān)頻率可以增加其它系統(tǒng)組件的功率密度，如濾波器、變壓器或電機。因此，變流器變得更加緊湊，節(jié)省了材料和相關(guān)成本。

自20世紀90年代以來，三菱電機在碳化硅器件和功率模塊的生產(chǎn)和應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗。SiC功率半導(dǎo)體已經(jīng)成功地完成了技術(shù)成熟周期，三菱電機的SiC產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。今天，我們發(fā)現(xiàn)SiC產(chǎn)品在各個領(lǐng)域應(yīng)用：從電動汽車充電器，到空調(diào)，到不間斷電源，到工業(yè)驅(qū)動，甚至鐵路牽引。這些不同的應(yīng)用對SiC器件有著不同的要求。本文闡述了各種應(yīng)用需求，并提出了相應(yīng)的SiC解決方案。

本文提到的的SiC器件采用三菱電機的第二代SiC芯片。這些芯片是在新的6英寸SiC晶圓上生產(chǎn)的。如圖1所示，第二代SiC芯片采用增強平面柵MOSFET結(jié)構(gòu)。特殊的JFET摻雜工藝能夠改善通態(tài)電阻R_on,sp，同時減小MOSFET元胞寬度，如圖2所示。這種增強型平面柵MOSFET技術(shù)的優(yōu)異阻抗特性與圖3所示的其他溝槽柵結(jié)構(gòu)相比仍具有很強的競爭力。此外，JFET摻雜降低了反向傳輸電容C_rss。這個電容影響SiC器件的開關(guān)速度。較小的C_rss允許更高的開關(guān)速度，并提高抗寄生導(dǎo)通魯棒性，下文將進一步解釋。

充電樁、空調(diào)或熱泵等應(yīng)用需要大批量生產(chǎn)能力、不同供應(yīng)商之間的兼容封裝和高達100A額定電流。

對于此類應(yīng)用，我們的解決方案是三菱電機N系列1200V第二代SiC分立器件，采用行業(yè)標準TO-247封裝^[1][2]。這種類型器件仍然是許多中小功率應(yīng)用的首選，因為其靈活性：分立器件僅由一個MOSFET組成，使得可以構(gòu)建任何類型的變流器拓撲。由于封裝簡單(參見圖4)和大批量生產(chǎn)，它們可以提供具有成本優(yōu)勢的SiC技術(shù)。除了3端子封裝，三菱電機還提供了4端子版本的TO-247封裝。它進一步改善了開關(guān)特性，降低了30%的開關(guān)損耗^[3]。表1顯示了N系列SiC MOSFET器件列表。所有產(chǎn)品均按照三菱電機高品質(zhì)標準進行測試，滿足工業(yè)應(yīng)用要求。此外，所有的分立器件可選符合AEC-Q101標準的版本，用于汽車應(yīng)用。

由于其低損耗，工業(yè)用N系列SiC MOSFET可以用于提高住宅用太陽能逆變器的效率，并減少笨重而昂貴的無源元件的尺寸。在快速充電的電池充電器中，SiC技術(shù)使系統(tǒng)更緊湊，同時更高效。

在電動汽車中，符合AEC-Q101標準的SiC MOSFET可以減少車載電池充電器或DC/DC變換器中配套元件的尺寸和重量。

除了這些例子，三菱電機的分立SiC器件還可以用于其它各種應(yīng)用。

N系列SiC MOSFET采用三菱電機的第二代平面柵碳化硅技術(shù)，優(yōu)化了JFET摻雜。與前幾代SiC技術(shù)相比，該技術(shù)具有一些優(yōu)勢。

SiC材料的高擊穿場強使得1200V級功率MOSFET具有低漂移層電阻(R_drift)。但是，通態(tài)電阻的另一個重要組成部分是由MOSFET P阱之間的寄生JFET電阻。隨著第二代SiC技術(shù)中JFET摻雜的引入，通態(tài)電阻特性得到了改善，使得更小的MOSFET元胞成為可能。

影響MOSFET開關(guān)動作的一個重要因素是輸入電容(C_iss)和反向傳輸電容(C_rss)之間的比。分立SiC MOSFET的快速開關(guān)可能導(dǎo)致另外一個MOSFET的寄生導(dǎo)通，在最壞的情況下可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的橋臂直通失效。通過降低C_rss，可以得到1450mΩ∙nC的優(yōu)選值，即通態(tài)電阻與柵漏電荷的乘積。如圖5所示，與傳統(tǒng)器件相比，這提高了抗寄生導(dǎo)通魯棒性約14倍，從而提高開關(guān)速度和降低開關(guān)損耗^[1]。

如圖5所示，N側(cè)MOSFET Q2的開通導(dǎo)致P側(cè)MOSFET Q1處的dV/dt。此時柵極電流I_g通過Q1反向傳輸電容C_rss流入柵極。如果這個電流在柵極電阻處引起電壓超過柵極閾值電壓V_gs(th)，則MOSFET Q1寄生導(dǎo)通。電流I_g與C_rss和dV/dt成正比。

分立SiC MOSFET通常采用T_j=25°C時測量的R_DS(on)電阻進行初步比較。然而，在T_j=100°C及以上的實際應(yīng)用條件下，功率MOSFET的R_DS(on)增加。在T_j=100°C時，三菱電機N系列功率MOSFET的R_DS(on)相對較低，僅增加了約10%。這減少了應(yīng)用中的通態(tài)損耗，對比相同R_DS(on)器件，三菱電機SiC MOSFET可以設(shè)計出更高輸出功率的變流器。

除了分立N系列SiC MOSFET，三菱電機還提供一系列匹配的SiC肖特基勢壘二極管(SBD)。SBD通常具有比雙極性二極管更低的正向電壓V_F。然而，低V_F和高正向浪涌電流能力之間存在一個折衷關(guān)系。為了優(yōu)化這兩者，三菱電機開發(fā)了結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS）結(jié)構(gòu)，其中除了肖特基接觸外，還集成了一個PN結(jié)來處理高浪涌電流，如圖6和圖7所示。該系列包含額定電流為10A和20A的600V和1200V二極管，采用不同的分立器件封裝形式(TO-247, TO-220FP-2, TO-263S)^[4]。

對于低功率逆變器，三菱電機引入了SiC DIPIPM功率模塊，額定電壓600V，額定電流為15A和25A。這類智能功率模塊內(nèi)部包含了相關(guān)的功率元件，如6個開關(guān)管和柵極驅(qū)動芯片，以構(gòu)建緊湊型逆變器(參見圖9)。這些智能功率模塊集成保護功能，如短路保護、欠壓保護或過溫保護。如圖8所示，該模塊使用壓鑄模技術(shù)制造，從而保證了高生產(chǎn)效率和抗惡劣環(huán)境影響的魯棒性。特別是每天幾乎24小時運行的應(yīng)用，如空調(diào)或泵機，通過應(yīng)用SiC可以帶來效率的提升。圖10顯示了與傳統(tǒng)硅器件相比，在特定的工況下(V_CC=300V, V_D=18V(SiC) /15V(Si), fc=15kHz, PF=0.95, M=0.8, Io=1.5Arms, T_j=125°C)，變流器節(jié)省70%的功率損耗。

一些應(yīng)用，如不間斷電源、快充或新能源發(fā)電通常需要比之前討論的應(yīng)用更高的電流額定值。因此，三菱電機開發(fā)了同樣采用第二代芯片技術(shù)的SiC功率模塊^[5]。這些SiC模塊為需要高輸出電流的工業(yè)應(yīng)用帶來好處，其輸出電流能力遠超分立器件。三菱電機可提供1200V和1700V電壓等級，更寬額定電流范圍（高達1200A）的SiC模塊。如圖11所示，第二代SiC功率模塊與第一代兼容，使現(xiàn)有客戶在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上更容易開發(fā)。

SiC模塊的封裝面積與三菱電機的NX系列Si功率模塊相同：122 x 79.6 mm²。然而，為了大幅降低封裝的寄生回路電感，對端子進行了重新排列，從而更好地利用SiC技術(shù)的優(yōu)點。此外，還優(yōu)化了底板設(shè)計以及SiC MOSFET和SiC SBD芯片的排布，以改善封裝內(nèi)部的散熱。

集成先前描述的JFET摻雜技術(shù)的第二代SiC模塊實現(xiàn)極低的功率損耗。與第一代相比，通態(tài)損耗和開關(guān)損耗均進一步降低^[6]。

三菱電機的實時控制(RTC)功能簡化了短路保護的設(shè)計。當從IGBT轉(zhuǎn)換為SiC MOSFET時，短路保護的設(shè)計是一個挑戰(zhàn)，因為不能采用傳統(tǒng)的退飽和檢測法。為了克服這些限制，RTC電路利用集成在MOSFET上的電流傳感器來檢測短路。當檢測到短路時，自動降低柵極電壓以限制短路電流，增加短路耐受時間。使驅(qū)動器在接受到RTC電路反饋的短路信號時有足夠的時間來進行保護。

在高速列車運行中，SiC功率模塊使牽引系統(tǒng)更高效、更緊湊。例如，SiC功率模塊使新干線傳動系統(tǒng)的重量減少了20%，從而設(shè)計出更加靈活的列車車廂。牽引逆變器本身的體積減少了50%，這是由于SiC器件損耗更低，采用更簡單的冷卻系統(tǒng)^[7]。

除了牽引變流器，輔助變流器、充電機和DCDC變換器也會通過采用高開關(guān)頻率運行的SiC功率模塊而受益。增加開關(guān)頻率通常會使無源元件(如變壓器、電感或電容)的尺寸減小。此外，更高的開關(guān)頻率可能允許使用不同的軟磁芯材料，具有高效率和低成本的潛力。

隨著電壓和額定功率的增加，鐵路和電網(wǎng)的應(yīng)用要求是高性能和高可靠性。三菱電機可提供高可靠性應(yīng)用的商用大功率SiC模塊，電壓高達3.3kV。早在2015年，三菱電機就已經(jīng)在高鐵上應(yīng)用了3.3kV 全SiC功率模塊[10]。經(jīng)過數(shù)年的現(xiàn)場運行，這些器件的魯棒性也已經(jīng)在實際工況下得到了證明。

如圖13所示，三菱電機可提供LV100封裝3.3kV SiC功率模塊。如圖14所示，有兩種不同電流等級的全SiC產(chǎn)品，額定電流分別為375A和750A。

除了全SiC功率模塊，三菱電機還提供混合SiC功率模塊。采用同樣的LV100封裝，混合SiC模塊額定電壓3.3kV、額定電流600A。該器件集成了三菱電機的最新X系列硅高壓IGBT和SiC二極管。與硅二極管相比，SiC二極管是沒有反向恢復(fù)的。因此，二極管的開關(guān)損耗要小得多。此外，由于沒有反向恢復(fù)電流，IGBT的開通損耗也減少了。如圖15所示，IGBT的開通損耗降低了38%。這使得混合SiC功率模塊成為相對較高的開關(guān)頻率(例如約2kHz)下的理想候選器件。如果需要更高的開關(guān)頻率和更低的損耗，那么全SiC功率模塊是理想的選擇。

除了現(xiàn)有的SiC產(chǎn)品，三菱電機還將進一步發(fā)展SiC技術(shù)，使其在未來更具競爭力。其中一個研究課題是在MOSFET結(jié)構(gòu)中集成SiC SBD二極管。一般情況下，需要SBD二極管來避免雙極性電流流過MOSFET的體二極管。因此，像堆垛層錯這樣的退化效應(yīng)可被抑制。為了在現(xiàn)有SiC功率模塊中實現(xiàn)這一點，采用SiC SBD芯片與MOSFET芯片并聯(lián)。在未來，將SBD結(jié)構(gòu)集成到MOSFET芯片中，如圖16所示。除了避免堆垛層錯外，其它的好處是降低開關(guān)損耗和省略獨立二極管芯片^[11][12]。

集成SBD的SiC MOSFET技術(shù)已用于6.5kV全SiC 樣品^[13]。該產(chǎn)品采用如圖17所示的HV100封裝，額定電流為400A。如圖18所示，該器件的開關(guān)損耗小于硅IGBT器件的1/10。這為6.5 kV SiC器件在高開關(guān)頻率應(yīng)用提供了廣闊的前景。

本文表明，如今許多應(yīng)用都能從碳化硅器件的優(yōu)點受益，從而得到更高效、更緊湊的功率變換器。這些不同的應(yīng)用對SiC器件有著不同的要求。三菱電機能夠針對不同的應(yīng)用提供不同的SiC產(chǎn)品。