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為什麼SIC元件不能取代IGBT？
2022-03-17
339
SiC裝置為何無法取代IGBT？
碳化矽（SiC）裝置的生產流程和技術日趨成熟。目前市場推廣的最大障礙是成本。 包括研發和生產成本，以及碳化矽元件在應用中取代IGBT後，整個電路中的驅動電容和電阻的成本。 除非廠商力推，而且確實可以降低成本，提高效能。 畢竟，採用新事物需要付出很大的代價。 由於製造成本和產品良率的影響，目前阻礙SiC產品大規模進入市場的主要原因是價格過高，一般是同類Si產品的10倍左右。 雖然未來隨著技術進步和成本降低，碳化矽（SiC）裝置取代IGBT是必然，而且性能可能會非常強勁，但真正能成為大勢所趨的不僅僅是性能，還有成本和可靠性。
?碳化矽元件的應用優勢顯而易見。
高效率、高可靠性：SiC BJT產品可實現高效率、高電流密度和高可靠性，並且可以在高溫下平穩工作。 此外，SiC BJT具有優異的溫度穩定性，其在高溫下的工作特性與常溫下無差異。 事實上，SiC BJT具備IGBT的所有優點，並且解決了IGBT設計中的所有瓶頸。 由於IGBT是電壓驅動，而SiC BJT是電流驅動，設計工程師一開始可能不太習慣用SiC BJT取代IGBT，但飛兆半導體等裝置供應商一般都會提供參考設計，幫助工程師設計驅動電路。 未來隨著專用驅動晶片的推出，SiC BJT的使用將會更加容易。
低損耗、降低成本：SiC BJT的Vce降低47%，Eon降低60%，Eoff降低67%。 SiC BJT可提供市場上最低的導通損耗，室溫下Ron小於2.2毫歐姆。 SiC BJT可以提供最小的總損耗，包括驅動器損耗。 碳化矽 BJT 是史上最高效的 1200 伏特電源轉換開關。 SiC BJT實現了更高的開關頻率，同時其導通和開關損耗比IGBT低（30-50%），因此在相同尺寸的系統中輸出功率可提高高達40%。 2V至400V的800KW升壓電路，採用矽IGBT實現只能達到25KHz的開關頻率，且需要XNUMX個薄膜電容。 然而，當使用SiC BJT時，開關頻率可以達到72KHz，並且只需要兩個薄膜電容器，這使得散熱器和電感器的尺寸減少了三分之一，即可以使用更小的電感器，從而大大節省了系統的總 BOM 成本。
提高電源開關頻率，高頻化：傳統IGBT的最大缺點是開關速度慢，工作頻率較低。 當其關閉時，電流尾部將導致關斷損耗。 SiC BJT的開關速度很快，而且沒有IGBT關閉那樣的電流拖尾，所以開關損耗很低。 在相同額定耐壓下，SiC BJT的導通電阻比IGBT的VCE(sat)低，可降低SiC BJT的導通損耗。
SiC BJT的最佳應用是3000W以上功率的電源設計。 這些電源供應器很多都採用IGBT作為開關設備，以優化成本和效率。 如果設計工程師將IGBT替換為SiC BJT，很容易就能大幅提高電源供應器的開關頻率，進而縮小產品體積，提高轉換效率。 隨著頻率的提高，設計時外圍電路所需的電感和電容的數量也可以減少，有助於節省成本。 另一方面，SiC BJT的開關速度非常快，可以在小於20nS的時間內完成開關動作，甚至比MOSFET還要快，因此也可以用來取代MOSFET。 與雙極型IGBT元件相比，碳化矽BJT具有更低的導通電阻，可進一步降低導通損耗。 碳化矽BJT的高溫穩定性和低漏電流已經超越IGBT和MOSFET。 另外，其內阻隨正溫度係數變化，因此可以方便地並聯用於高功率電源的設計。
碳化矽（SiC）裝置的生產流程和技術日趨成熟。目前市場推廣的最大障礙是成本。 包括研發和生產成本，以及碳化矽元件在應用中取代IGBT後，整個電路中的驅動電容和電阻的成本。 除非廠商力推，而且確實可以降低成本，提高效能。 畢竟，採用新事物需要付出很大的代價。 由於製造成本和產品良率的影響，目前阻礙SiC產品大規模進入市場的主要原因是價格過高，一般是同類Si產品的10倍左右。 雖然未來隨著技術進步和成本降低，碳化矽（SiC）裝置取代IGBT是必然，而且性能可能會非常強勁，但真正能成為大勢所趨的不僅僅是性能，還有成本和可靠性。
高效率、高可靠性：SiC BJT產品可實現高效率、高電流密度和高可靠性，並且可以在高溫下平穩工作。 此外，SiC BJT具有優異的溫度穩定性，其在高溫下的工作特性與常溫下無差異。 事實上，SiC BJT具備IGBT的所有優點，並且解決了IGBT設計中的所有瓶頸。 由於IGBT是電壓驅動，而SiC BJT是電流驅動，設計工程師一開始可能不太習慣用SiC BJT取代IGBT，但飛兆半導體等裝置供應商一般都會提供參考設計，幫助工程師設計驅動電路。 未來隨著專用驅動晶片的推出，SiC BJT的使用將會更加容易。
低損耗、降低成本：SiC BJT的Vce降低47%，Eon降低60%，Eoff降低67%。 SiC BJT可提供市場上最低的導通損耗，室溫下Ron小於2.2毫歐姆。 SiC BJT可以提供最小的總損耗，包括驅動器損耗。 碳化矽 BJT 是史上最高效的 1200 伏特電源轉換開關。 SiC BJT實現了更高的開關頻率，同時其導通和開關損耗比IGBT低（30-50%），因此在相同尺寸的系統中輸出功率可提高高達40%。 2V至400V的800KW升壓電路，採用矽IGBT實現只能達到25KHz的開關頻率，且需要XNUMX個薄膜電容。 然而，當使用SiC BJT時，開關頻率可以達到72KHz，並且只需要兩個薄膜電容器，這使得散熱器和電感器的尺寸減少了三分之一，即可以使用更小的電感器，從而大大節省了系統的總 BOM 成本。
提高電源開關頻率，高頻化：傳統IGBT的最大缺點是開關速度慢，工作頻率較低。 當其關閉時，電流尾部將導致關斷損耗。 SiC BJT的開關速度很快，而且沒有IGBT關閉那樣的電流拖尾，所以開關損耗很低。 在相同額定耐壓下，SiC BJT的導通電阻比IGBT的VCE(sat)低，可降低SiC BJT的導通損耗。
SiC BJT的最佳應用是3000W以上功率的電源設計。 這些電源供應器很多都採用IGBT作為開關設備，以優化成本和效率。 如果設計工程師將IGBT替換為SiC BJT，很容易就能大幅提高電源供應器的開關頻率，進而縮小產品體積，提高轉換效率。 隨著頻率的提高，設計時外圍電路所需的電感和電容的數量也可以減少，有助於節省成本。 另一方面，SiC BJT的開關速度非常快，可以在小於20nS的時間內完成開關動作，甚至比MOSFET還要快，因此也可以用來取代MOSFET。 與雙極型IGBT元件相比，碳化矽BJT具有更低的導通電阻，可進一步降低導通損耗。 碳化矽BJT的高溫穩定性和低漏電流已經超越IGBT和MOSFET。 另外，其內阻隨正溫度係數變化，因此可以方便地並聯用於高功率電源的設計。
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