從Si到SiC，我們?cè)撊绾谓z滑升級(jí)？

在功率電子領(lǐng)域，一場(chǎng)技術(shù)變革正在發(fā)生：在越來越多的應(yīng)用中，GaN和SiC等第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件正在逐步替代傳統(tǒng)的硅（Si）基器件，扮演越來越重要的角色。在需要較高電壓和功率的電動(dòng)車、白色家電、通信基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，SiC更是表現(xiàn)出強(qiáng)勁的實(shí)力。

SiC器件的性能優(yōu)勢(shì)

從下圖可以看出，與Si材料相比，SiC有兩個(gè)突出優(yōu)勢(shì)：一是SiC的高禁帶寬度（是Si的3倍）帶來了更高的擊穿電壓、溫度和功率等級(jí)；二是SiC具有更高的熱導(dǎo)率，有利于功率器件熱性能的提升，以支持更高電流密度的應(yīng)用。

圖1：SiC與Si材料特性比較（圖源：Qorvo）

基于這樣的性能優(yōu)勢(shì)，用SiC打造的開關(guān)器件（如MOSFET）與硅基器件相比，自然也是具有諸多優(yōu)勢(shì)：

1、SiC擊穿電壓更高，這意味著可以更輕薄的器件來支持更高的電壓。

2、SiC器件具有較小的裸片尺寸和較低的寄生電容，以及更低的導(dǎo)通電阻，這可以帶來更低的開關(guān)損耗，提供更高的效率。

3、在給定的電壓和電阻等級(jí)，SiC功率器件能夠在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，因此允許采用體積更小的外圍無源元件，從而減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸及成本。

4、得益于出色的熱性能，SiC器件能夠在更高的環(huán)境溫度下正常工作，有助于簡化散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

簡而言之，SiC功率器件具有高電壓阻斷能力、低導(dǎo)通損耗、低開關(guān)損耗和高導(dǎo)熱性，因此可以為功率電子應(yīng)用提供更高的效率、更出色的散熱性能，以及更高的功率密度，幫助用戶突破硅基器件的性能天花板。

也正因?yàn)榇?，眾多功率電子行業(yè)的“玩家”都在積極探索采用SiC技術(shù)替代硅基工藝，開發(fā)一系列功率器件，如BJT、JFET、MOSFET和IGBT等。不過，SiC商用器件的開發(fā)畢竟是一個(gè)全新的課題，想要實(shí)現(xiàn)從Si到SiC技術(shù)的絲滑升級(jí)，還需要做大量的功課。

實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)迭代的關(guān)鍵著力點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：一個(gè)是降低成本，包括SiC器件自身的成本，以及應(yīng)用開發(fā)中的配套成本（如柵極驅(qū)動(dòng)器）；另一個(gè)方面，就是要根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用，充分發(fā)揮出SiC的優(yōu)勢(shì)特性，開發(fā)出差異化的產(chǎn)品，為開發(fā)者提供更大的選擇空間。

通往SiC技術(shù)的新路徑

目前，在向SiC技術(shù)邁進(jìn)的過程中，SiC MOSFET是很多廠商的“必選項(xiàng)”，這是因?yàn)榕cSi MOSFET相比，其具有耐壓高、導(dǎo)通電阻低、開關(guān)頻率高等突出優(yōu)勢(shì)，且應(yīng)用范圍非常廣泛。

不過，如上文所述，SiC MOSFET并不是“從Si向SiC絲滑升級(jí)”的唯一選項(xiàng)，Qorvo就選擇了從SiC JFET入手，探索出一條與眾不同的新路徑。

眾所周知，JFET是一種常開型晶體管，是利用柵極PN結(jié)耗盡層實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，同時(shí)正常狀態(tài)下單極性導(dǎo)電，與MOSFET相比，此類器件具有良好的高頻特性，且由于不需要柵氧層，其可靠性更優(yōu)，導(dǎo)通電阻也會(huì)更小。

但是開發(fā)SiC JFET時(shí)面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)：相較于SiC MOSFET，常開型的SiC JFET在器件阻斷時(shí)需要施加較大的負(fù)向偏置，以使得溝道區(qū)域完全夾斷，因此無法與現(xiàn)有功率器件（如MOSFET、IGBT等）的驅(qū)動(dòng)電路兼容，這無疑會(huì)增加SiC JFET器件應(yīng)用開發(fā)的難度。

為此，Qorvo采用了一種巧妙的方法——基于獨(dú)特的“共源共柵結(jié)構(gòu)”電路配置，將一個(gè)常開型SiC JFET器件與一個(gè)硅基MOSFET垂直級(jí)聯(lián)、共同封裝，形成一個(gè)集成的常關(guān)型SiC FET器件，使得器件的驅(qū)動(dòng)可以與硅基MOSFET / IGBT器件兼容，很好的解決了這一SiC技術(shù)升級(jí)中的關(guān)鍵問題。

圖2：Qorvo SiC FET器件結(jié)構(gòu)框圖（圖源：Qorvo）

從圖3中，我們可以進(jìn)一步了解Qorvo SiC FET與SiC MOSFET相比的差異化優(yōu)勢(shì)。

首先，Qorvo的SiC JFET中沒有SiC MOSFET的柵極氧化層，進(jìn)而消除了溝道電阻，讓裸片尺寸更為緊湊，這意味著對(duì)于給定的芯片尺寸，Qorvo SiC FET可提供更低的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）；也就是說，在相同的導(dǎo)通電阻條件下，Qorvo SiC FET所需的SiC裸片尺寸更小，這使得該器件可以采用TOLL和D2PAK等較小的封裝形式，進(jìn)一步強(qiáng)化SiC器件小型化的優(yōu)勢(shì)。

此外，Qorvo的SiC FET與SiC MOSFET相比，還具有更低的輸出電容，這使得其能夠在低負(fù)載電流下以更快的開關(guān)速度工作，因此電容充電延遲時(shí)間更短。由此帶來的好處是，減少了對(duì)電感器和電容器等較大體積無源元件的需求，使得終端設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更小的體積、更輕的重量、更低的成本，并獲得更高的功率密度。

圖3：SiC MOSFET與Qorvo SiC FET的比較（圖源：Qorvo）

總結(jié)一下，Qorvo SiC FET既具有SiC的性能優(yōu)勢(shì)，又通過獨(dú)特的“Si MOSFET + SiC JFET”的垂直級(jí)聯(lián)架構(gòu)，構(gòu)成了一款更“高能”的器件。這樣的器件，對(duì)于功率應(yīng)用的價(jià)值體現(xiàn)在：

可采用標(biāo)準(zhǔn)硅柵極驅(qū)動(dòng)器，這使得從Si到SiC的技術(shù)過渡更加順暢，也為工程師提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。

相同芯片面積下，具有更低的漏-源導(dǎo)通電阻 RDS(ON)，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率。

更低的電容允許更快的開關(guān)速度、更高的工作頻率，減小了對(duì)大體積無源元件的需求。

可提供更高電壓等級(jí) (1,200V或更高），而與同級(jí)別硅基IGBT相比又具有更高的工作頻率。

豐富的SiC FET產(chǎn)品組合

UF3C系列是Qorvo高性能SiC FET中的代表產(chǎn)品，具有超低柵極電荷，非常適合開關(guān)感性負(fù)載和需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。由于可以兼容標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器，因此UF3C系列SiC FET可真正實(shí)現(xiàn)對(duì)硅基IGBT、FET、MOSFET或超結(jié)器件的“絲滑平替”。

該系列SiC FET提供650V、1,200V和1,700V多種耐壓版本，以及D2PAK-3、D2PAK-7、D2PAK-7L、TO-247-3L、TO-247-4L和TO-220-3L等封裝選項(xiàng)，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電、光伏逆變器、開關(guān)模式電源、功率因數(shù)校正模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和感應(yīng)加熱等功率電子系統(tǒng)。

圖4：UF3C高性能SiC FET（圖源：Qorvo）

值得一提的是，Qorvo不斷發(fā)展這種共源共柵結(jié)構(gòu)SiC FET的產(chǎn)品組合，既包括采用平面工藝的第3代產(chǎn)品（如UF3C），還包括性能更為出色的基于溝槽工藝的第4代產(chǎn)品。同時(shí)，Qorvo還提供豐富的產(chǎn)品系列，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景所需：

UJ系列

開關(guān)速度較慢，非常適合替代現(xiàn)有的非開爾文封裝設(shè)計(jì)，如TO247-3L、D2PAK3L等。

UF系列

具有更快的開關(guān)速度，適用于高開關(guān)頻率、高效率和高功率密度應(yīng)用。

UG系列

有兩個(gè)柵極引腳，分別用于SiC JFET和Si MOSFET。SiC JFET柵極引腳可實(shí)現(xiàn)非常寬的開關(guān)速度可控性。其目標(biāo)應(yīng)用是具有非常高的電流和相對(duì)較慢的dv/dt（<20V/ns）的場(chǎng)景，如電路保護(hù)等。

C/SC系列

即并排共源共柵或堆疊共源共柵——字母“C”表示共源共柵結(jié)構(gòu)并排封裝了Si低壓MOSFET和SiC高壓JFET；字母“SC”表示共源共柵結(jié)構(gòu)在SiC高壓JFET芯片的頂部連接了一個(gè)Si低壓MOSFET芯片，因此稱為堆疊芯片。

E1B模塊

采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝，與許多供應(yīng)商產(chǎn)品引腳兼容，適合于ZVS軟開關(guān)應(yīng)用，如相移全橋、LLC等。

本文小結(jié)

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，從Si向SiC技術(shù)過渡已經(jīng)是大勢(shì)所趨，對(duì)此大家已經(jīng)形成了共識(shí)。不過，如何讓這個(gè)過程更“絲滑”，以盡可能少的成本從SiC身上獲得盡可能大的收益——對(duì)于這個(gè)問題，不同的廠商則有自己不同的高招兒。

對(duì)此，Qorvo給出的解決方案非常獨(dú)特而巧妙，通過Si MOSFET + SiC JFET的共源共柵的架構(gòu)，彌補(bǔ)了SiC MOSFET的性能短板，并與標(biāo)準(zhǔn)的硅基器件的柵極驅(qū)動(dòng)器兼容，能夠有效加速SiC器件設(shè)計(jì)導(dǎo)入的進(jìn)程。

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