據Yole Développement預測,到2023年,SiC功率半導體市場預計將達到15億美元。基於SiC的功率半導體用於600V~10kV應用,大多數SiC應用集中在600V~1,700V。

商用的SiC半導體元件有SiC蕭特基二極體、SiC JFET及SiC MOSFET。自2011年,Cree推出第一代SiC MOSFET,數家半導體公司已經量產SiC MOSFET。市場上主流的SiC產品如表1。

20190708EDNNT31P1 表1 主流SiC MOSFET產品。

在一次技術論壇上,中國清華大學電機工程與應用電子技術系教授許烈比對了幾款主流SiC MOSFET與Si MOSFET的性能,如表2所示。

20190708EDNNT31P2 表2 SiC MOSFET與Si MOSFET的性能對比。(資料來源:許烈)

從表2中可以看到,SiC MOSFET相比Si MOSFET的明顯優勢包括:更小的導通電阻、更快的開關過程、更小的寄生電容、更高的工作溫度、更好的二極體反向恢復特性。缺點包括更高的反向二極體導通壓降、驅動電路更複雜、系統對於雜散參數更加敏感。

另外,SiC MOSFET相比Si IGBT的明顯優勢包括:無拖尾電流現象、更快的開關過程、更小的寄生電容、更高的工作溫度、關斷時間對負載電流和溫度不敏感。缺點是驅動電路複雜、系統對於雜散參數更加敏感。

許烈指出:「SiC元件的反向恢復電流很小,而且負載電流變化時其變化不大。而Si二極體的反向恢復需要電子和空穴的複合,使其反向恢復時間長,反向恢復電流大,同時也受負載電流影響。」

GaN用於15~600V的應用,主流產品如表3所示。

20190708EDNNT31P3 表3 主流GaN產品。(資料來源:許烈)

許烈表示,寬能隙半導體元件在設計中的關鍵問題包括:門極電壓允許範圍比Si基元件更窄;開關速度更快,帶來EMI問題;更高的雜散參數、保護回應速度、驅動電路設計要求。

另外,現有SiC封裝仍使用Si元件封裝技術,限制了SiC元件的使用溫度,這也是未來需要改進的一個方向。同時,許烈表示,高溫也是個系統問題,需要從高溫功率元件、控制晶片、電感、電容、線纜等多角度解決。