在功率电子领域，一场技术变革正在发生：在越来越多的应用中，GaN和SiC等第三代宽禁带半导体器件正在逐步替代传统的硅（Si）基器件，扮演越来越重要的角色。在需要较高电压和功率的电动车、白色家电、通信基础设施、可再生能源、数据中心等领域，SiC更是表现出强劲的实力。
SiC器件的性能优势
从下图可以看出，与Si材料相比，SiC有两个突出优势：一是SiC的高禁带宽度（是Si的3倍）带来了更高的击穿电压、温度和功率等级；二是SiC具有更高的热导率，有利于功率器件热性能的提升，以支持更高电流密度的应用。
图1：SiC与Si材料特性比较
（图源：Qorvo）
基于这样的性能优势，用SiC打造的开关器件（如MOSFET）与硅基器件相比，自然也是具有诸多优势：
SiC击穿电压更高，这意味着可以更轻薄的器件来支持更高的电压。
SiC器件具有较小的裸片尺寸和较低的寄生电容，以及更低的导通电阻，这可以带来更低的开关损耗，提供更高的效率。
在给定的电压和电阻等级，SiC功率器件能够在更高的开关频率下运行，因此允许采用体积更小的外围无源元件，从而减小整个系统的尺寸及成本。
得益于出色的热性能，SiC器件能够在更高的环境温度下正常工作，有助于简化散热系统设计。
简而言之，SiC功率器件具有高电压阻断能力、低导通损耗、低开关损耗和高导热性，因此可以为功率电子应用提供更高的效率、更出色的散热性能，以及更高的功率密度，帮助用户突破硅基器件的性能天花板。
也正因为此，众多功率电子行业的“玩家”都在积极探索采用SiC技术替代硅基工艺，开发一系列功率器件，如BJT、JFET、MOSFET和IGBT等。不过，SiC商用器件的开发毕竟是一个全新的课题，想要实现从Si到SiC技术的丝滑升级，还需要做大量的功课。
实现这一技术迭代的关键着力点主要有两个方面：一个是降低成本，包括SiC器件自身的成本，以及应用开发中的配套成本（如栅极驱动器）；另一个方面，就是要根据目标应用，充分发挥出SiC的优势特性，开发出差异化的产品，为开发者提供更大的选择空间。
通往SiC技术的新路径
目前，在向SiC技术迈进的过程中，SiC MOSFET是很多厂商的“必选项”，这是因为与Si MOSFET相比，其具有耐压高、导通电阻低、开关频率高等突出优势，且应用范围非常广泛。
不过，如上文所述，SiC MOSFET并不是“从Si向SiC丝滑升级”的唯一选项，Qorvo就选择了从SiC JFET入手，探索出一条与众不同的新路径。
众所周知，JFET是一种常开型晶体管，是利用栅极PN结耗尽层实现开关控制，同时正常状态下单极性导电，与MOSFET相比，此类器件具有良好的高频特性，且由于不需要栅氧层，其可靠性更优，导通电阻也会更小。
但是开发SiC JFET时面临着一个挑战：相较于SiC MOSFET，常开型的SiC JFET在器件阻断时需要施加较大的负向偏置，以使得沟道区域完全夹断，因此无法与现有功率器件（如MOSFET、IGBT等）的驱动电路兼容，这无疑会增加SiC JFET器件应用开发的难度。
为此，Qorvo采用了一种巧妙的方法——基于独特的“共源共栅结构”电路配置，将一个常开型SiC JFET器件与一个硅基MOSFET垂直级联、共同封装，形成一个集成的常关型SiC FET器件，使得器件的驱动可以与硅基MOSFET / IGBT器件兼容，很好的解决了这一SiC技术升级中的关键问题。
图2：Qorvo SiC FET器件结构框图
（图源：Qorvo）
从图3中，我们可以进一步了解Qorvo SiC FET与SiC MOSFET相比的差异化优势。
首先，Qorvo的SiC JFET中没有SiC MOSFET的栅极氧化层，进而消除了沟道电阻，让裸片尺寸更为紧凑，这意味着对于给定的芯片尺寸，Qorvo SiC FET可提供更低的导通电阻（RDS(ON)）；也就是说，在相同的导通电阻条件下，Qorvo SiC FET所需的SiC裸片尺寸更小，这使得该器件可以采用TOLL和D2PAK等较小的封装形式，进一步强化SiC器件小型化的优势。
此外，Qorvo的SiC FET与SiC MOSFET相比，还具有更低的输出电容，这使得其能够在低负载电流下以更快的开关速度工作，因此电容充电延迟时间更短。由此带来的好处是，减少了对电感器和电容器等较大体积无源元件的需求，使得终端设备能够实现更小的体积、更轻的重量、更低的成本，并获得更高的功率密度。
图3：SiC MOSFET与Qorvo SiC FET的比较
（图源：Qorvo）
总结一下，Qorvo SiC FET既具有SiC的性能优势，又通过独特的“Si MOSFET + SiC JFET”的垂直级联架构，构成了一款更“高能”的器件。这样的器件，对于功率应用的价值体现在：
可采用标准硅栅极驱动器，这使得从Si到SiC的技术过渡更加顺畅，也为工程师提供了更大的设计灵活性。
相同芯片面积下，具有更低的漏-源导通电阻 RDS(ON)，可进一步提升系统效率。
更低的电容允许更快的开关速度、更高的工作频率，减小了对大体积无源元件的需求。
可提供更高电压等级 (1,200V或更高），而与同级别硅基IGBT相比又具有更高的工作频率。
丰富的SiC FET产品组合
UF3C系列是Qorvo高性能SiC FET中的代表产品，具有超低栅极电荷，非常适合开关感性负载和需要标准栅极驱动的应用。由于可以兼容标准栅极驱动器，因此UF3C系列SiC FET可真正实现对硅基IGBT、FET、MOSFET或超结器件的“丝滑平替”。
该系列SiC FET提供650V、1,200V和1,700V多种耐压版本，以及D2PAK-3、D2PAK-7、D2PAK-7L、TO-247-3L、TO-247-4L和TO-220-3L等封装选项，可广泛应用于电动汽车充电、光伏逆变器、开关模式电源、功率因数校正模块、电机驱动器和感应加热等功率电子系统。
图4：UF3C高性能SiC FET
（图源：Qorvo）
值得一提的是，Qorvo不断发展这种共源共栅结构SiC FET的产品组合，既包括采用平面工艺的第3代产品（如UF3C），还包括性能更为出色的基于沟槽工艺的第4代产品。同时，Qorvo还提供丰富的产品系列，以满足不同应用场景所需：
UJ系列
开关速度较慢，非常适合替代现有的非开尔文封装设计，如TO247-3L、D2PAK3L等。
UF系列
具有更快的开关速度，适用于高开关频率、高效率和高功率密度应用。
UG系列
有两个栅极引脚，分别用于SiC JFET和Si MOSFET。SiC JFET栅极引脚可实现非常宽的开关速度可控性。其目标应用是具有非常高的电流和相对较慢的dv/dt（<20V/ns）的场景，如电路保护等。
C/SC系列
即并排共源共栅或堆叠共源共栅——字母“C”表示共源共栅结构并排封装了Si低压MOSFET和SiC高压JFET；字母“SC”表示共源共栅结构在SiC高压JFET芯片的顶部连接了一个Si低压MOSFET芯片，因此称为堆叠芯片。
E1B模块
采用行业标准模块封装，与许多供应商产品引脚兼容，适合于ZVS软开关应用，如相移全桥、LLC等。
本文小结
在功率半导体领域，从Si向SiC技术过渡已经是大势所趋，对此大家已经形成了共识。不过，如何让这个过程更“丝滑”，以尽可能少的成本从SiC身上获得尽可能大的收益——对于这个问题，不同的厂商则有自己不同的高招儿。
对此，Qorvo给出的解决方案非常独特而巧妙，通过Si MOSFET + SiC JFET的共源共栅的架构，弥补了SiC MOSFET的性能短板，并与标准的硅基器件的栅极驱动器兼容，能够有效加速SiC器件设计导入的进程。
从Si到SiC，该如何丝滑升级？你想要的答案就在这里——
文章来源：贸泽电子