一、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技術的特點

• 低導通電阻

• 第四代SiC MOSFET的導通電阻（RDS(on)）明顯低于前幾代產品。例如羅姆公司的第四代產品，在芯片尺寸相同且不犧牲短路耐受時間的前提下，采用改進的雙溝槽結構，使得MOSFET的導通電阻降低了約40%。意法半導體的第四代產品也有類似的低導通電阻特性，這一特性可以最大限度地降低導通損耗，進而提高系統的整體能效。

• 低導通電阻還意味著在相同的工作條件下，器件產生的熱量更少。這有助于減少散熱系統的負擔，使得整個系統的設計更加緊湊，并且可以降低因過熱導致的故障風險，提高系統的可靠性。

• 開關速度快與開關損耗低

• 第四代碳化硅的開關速度更快，開關損耗更低。對于高頻應用來說，這是至關重要的特性。在現代電力電子系統中，如電動汽車的電驅逆變器、工業電機驅動器等，高頻工作可以提高系統的響應速度和控制精度。

• 以羅姆的第四代SiC MOSFET為例，通過大幅降低柵漏電容（Cgd），成功使開關損耗比以往產品降低約50%。更快的開關速度和更低的開關損耗使得電源轉換器可以更加緊湊、高效，能夠滿足現代電子設備對小型化、高效率的要求。




• 高功率密度與小尺寸

• 第四代產品繼續提供出色的RDS(on) x裸片面積的品質因數，確保高電流處理能力和最小損耗。以25攝氏度時的RDS(on)為參考，第四代器件的裸片平均尺寸比第三代器件減小12 - 15%，可實現更緊湊的電源轉換器設計，節省寶貴的電路板空間，降低系統成本。

• 高功率密度使得在相同的體積下，能夠處理更高的功率，這對于空間受限的應用場景，如電動汽車和數據中心等，具有很大的優勢。它可以幫助設計師在有限的空間內集成更多的功能，或者減小整個設備的體積和重量。

• 良好的穩健性

• 第四代技術在動態反偏測試(DRB)條件下的穩健性表現更加出色，且超過了AQG324標準，確保在惡劣條件下正常可靠工作。例如在汽車應用中，車輛可能會面臨各種復雜的環境條件，如高溫、高濕度、振動等，第四代SiC MOSFET能夠在這些條件下穩定工作，提高了整個系統的可靠性和安全性。

• 意法半導體的第四代產品在滿足汽車和工業市場需求的同時，還針對電動汽車電驅系統的關鍵部件逆變器進行了特別優化，展現出了良好的適應能力和穩健性。

二、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技術的應用領域

• 電動汽車領域

• 電驅逆變器：這是第四代SiC MOSFET技術在電動汽車中的主要應用。與硅基解決方案相比，該技術能效更高、尺寸更小、重量更輕、續航更長。意法半導體等公司推出的第四代產品，能夠分別提高400V和800V電動汽車平臺電驅逆變器的能效和性能，有助于汽車制造商生產續航里程更長的高端車型。并且，將SiC的技術優勢下探到中型和緊湊車型，有助于讓電動汽車被更多消費者接受。例如，特斯拉在其第三代和第四代主驅逆變器中開始正式使用碳化硅技術，使得電動汽車的性能得到了顯著提升。

• 車載充電器（OBC）和DC - DC轉換器：這些部件在電動汽車中負責電能的轉換和管理。第四代SiC MOSFET的高效率和高功率密度特性，可以提高充電效率，縮短充電時間，并且減小這些部件的體積和重量，從而為電動汽車節省更多的空間，提高車輛的整體性能。

• 其他應用：還可用于電動汽車的車載空調壓縮機等設備，通過提高能效，降低能耗，進一步提升電動汽車的整體能效和性能。

• 大功率工業電機驅動器

• 新一代SiC MOSFET改進了開關性能和穩健性，這使得電機控制器變得更高效、更可靠。在工業環境中，電機驅動器需要長時間穩定運行，并且要能夠適應不同的負載和工作條件。第四代SiC MOSFET能夠降低工業電機驅動器的能耗和運營成本，提高整個工業生產過程的效率。例如，在大型工廠中的風機、水泵等設備的電機驅動系統中，使用第四代SiC MOSFET技術可以實現顯著的節能效果。

• 可再生能源應用

• 太陽能逆變器：太陽能光伏發電系統需要將直流電轉換為交流電，太陽能逆變器在這個過程中起著關鍵作用。第四代SiC MOSFET可以提高太陽能逆變器的能效，減少能量轉換過程中的損耗，從而提高整個太陽能發電系統的發電效率，增加發電量。

• 儲能系統：在儲能系統中，無論是電池儲能還是其他形式的儲能，都需要高效的功率轉換設備。第四代SiC MOSFET技術能夠提高儲能系統的能效，有助于實現可持續化和成本效益更高的能源解決方案。例如，在一些大型的儲能電站中，使用這種技術可以提高儲能和放電的效率，降低運營成本。

• 數據中心

• 人工智能服務器數據中心的電源模塊需要應對巨大的功率需求和熱管理挑戰。第四代SiC MOSFET高能效和緊湊尺寸的技術特性對于解決這些問題至關重要。它可以提高電源模塊的效率，減少熱量產生，從而降低數據中心的冷卻成本，并且可以在有限的空間內提供更高的功率，滿足數據中心不斷增長的能源需求。

三、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技術的發展現狀

• 技術優化與產品推出

• 意法半導體已經推出其第四代STPOWER碳化硅（SiC）MOSFET技術，并且在功率效率、功率密度和穩定性方面樹立了新的標桿。該公司已經完成第四代SiC技術平臺750V電壓等級的產前認證，預計將在2025年第一季度完成1200V電壓等級的認證，之后標稱電壓為750V和1200V的產品將上市銷售。這意味著意法半導體在第四代SiC MOSFET技術的商業化進程上取得了重要進展，為該技術在市場上的廣泛應用奠定了基礎。

• 羅姆公司也在第四代SiC MOSFET技術方面處于領先地位，其于2020年完成開發第4代SiC MOSFET，目前不僅可供應裸芯片，還可供應分立封裝的產品。羅姆公司還計劃在2021 - 2025年投入大量資金擴充碳化硅產能，這表明羅姆對第四代SiC MOSFET技術的市場前景充滿信心，并且在積極推動該技術的大規模生產和應用。

• 與汽車和工業市場的結合

• 在汽車市場方面，一線電動汽車廠商正與意法半導體達成合作，將第四代SiC技術引入他們的新車型，以提高性能和能源效率。這說明第四代SiC MOSFET技術已經得到了汽車制造商的認可，并且開始逐步應用于實際的電動汽車生產中。同時，該技術在滿足汽車市場需求的同時，也針對電動汽車電驅系統的關鍵部件逆變器進行了特別優化，這有助于進一步提高電動汽車的性能和可靠性。

• 在工業市場方面，第四代SiC MOSFET技術適用于各種大功率工業設備，包括電機驅動器、太陽能逆變器、儲能解決方案和數據中心等日益增長的應用，并且能夠顯著提高這些應用的能效。這表明該技術在工業領域的應用范圍正在不斷擴大，對于推動工業領域的節能減排和高效發展具有重要意義。

• 技術創新仍在進行

• 意法半導體通過垂直整合制造戰略加快SiC功率器件的開發，同時還在開發多項SiC技術創新，計劃在2027年前推出更多先進的SiC技術創新成果。例如，其第五代SiC功率器件將采用基于全新工藝的高功率密度創新技術，并且正在開發一項突破性創新技術，有望在高溫下實現更出色的導通電阻RDS(on)參數，進一步降低RDS(on)。這顯示出第四代SiC MOSFET技術并不是終點，而是一個持續發展的過程，未來還有很大的提升空間和發展潛力。

四、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技術與前代的比較

• 導通電阻方面

• 第四代SiC MOSFET的導通電阻（RDS(on)）顯著低于前幾代產品。如羅姆公司的第四代產品在不犧牲短路耐受時間的前提下，相比第三代產品，導通電阻降低了約40%。更低的導通電阻意味著在電流通過器件時，產生的能量損耗更小。在電力電子系統中，導通損耗是一個重要的性能指標，較低的導通損耗可以提高系統的整體效率，減少發熱，對于提高系統的可靠性和延長器件的使用壽命具有重要意義。

• 前代產品由于導通電阻較高，在相同的工作條件下，會產生更多的熱量，這就需要更大的散熱系統來保證器件的正常工作，從而增加了系統的體積和成本。

• 開關性能方面

• 第四代碳化硅的開關速度更快，開關損耗更低。與前代產品相比，這一特性使得第四代SiC MOSFET在高頻應用中具有更大的優勢。例如，羅姆的第四代產品通過改進結構大幅降低了柵漏電容（Cgd），從而使開關損耗比以往產品降低約50%。更快的開關速度可以提高電源轉換器等設備的工作頻率，從而實現更緊湊、高效的電源轉換電路設計，這是前代產品難以達到的。

• 前代產品的開關速度相對較慢，開關損耗較高，這限制了它們在高頻、高效率應用場景中的使用，例如在一些需要快速響應和高功率密度的電動汽車電驅系統和數據中心電源模塊等應用中，前代產品可能無法滿足性能要求。

• 尺寸與功率密度方面

• 第四代產品以25攝氏度時的RDS(on)為參考，其裸片平均尺寸比第三代器件減小12 - 15%，并且具有更高的功率密度。這使得第四代SiC MOSFET能夠在更小的空間內實現更高的功率處理能力，有利于實現設備的小型化和輕量化。例如在電動汽車中，更小的功率器件可以為車輛節省更多的空間，同時減輕重量，有助于提高電動汽車的續航里程。

• 前代產品的裸片尺寸相對較大，功率密度較低，在一些對空間和重量要求嚴格的應用場景中，使用前代產品可能會受到限制，需要更大的電路板面積或者更復雜的散熱系統來保證器件的正常工作。

• 穩健性方面

• 第四代技術在動態反偏測試(DRB)條件下的穩健性表現更加出色，且超過了AQG324標準，能夠在惡劣條件下正常可靠工作。這一特性使得第四代SiC MOSFET在一些環境條件較為復雜的應用場景中具有更好的適應性，如汽車和工業環境。

• 前代產品在穩健性方面可能相對較弱，在面對惡劣的工作環境時，可能會出現性能下降或者故障的風險較高，需要采取更多的保護措施來確保其正常工作。

五、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技術的未來趨勢

• 技術性能持續提升

• 進一步降低導通電阻：從羅姆公司的規劃來看，其計劃在2025年、2028年分別再降30%，實現第5代、第6代產品的導通電阻降低目標。意法半導體也在開發一項突破性創新技術，有望在高溫下實現更出色的導通電阻RDS(on)參數，進一步降低RDS(on)。導通電阻的持續降低將進一步提高系統的能效，減少能量損耗，這對于提高各種應用設備的性能和效率至關重要，特別是在對能效要求極高的電動汽車和數據中心等領域。

• 提高開關速度和降低開關損耗：隨著技術的發展，未來的SiC MOSFET可能會采用新的結構和材料，進一步提高開關速度，降低開關損耗。這將使得電源轉換器等設備能夠在更高的頻率下工作，實現更高的功率密度和更小的體積，滿足電子設備不斷朝著小型化、高性能化發展的需求。

• 優化柵氧保護：目前SiC MOSFET存在的一個問題是在反向偏置過程中，柵極氧化物處有更高的電場。未來的發展趨勢可能是通過改進結構或者采用新的材料，優化柵氧保護，提高器件的可靠性和穩定性，從而延長器件的使用壽命，降低故障風險。

• 結構改進與創新

• 溝槽結構的進一步發展：目前，溝槽型SiC MOSFET已經顯示出了很多優勢，如羅姆的第四代雙溝槽結構產品具有低導通電阻等優點。未來，溝槽結構可能會得到進一步的改進和優化，例如減小元胞尺寸，提高溝道密度等。通過這些改進，可以進一步提高器件的性能，降低成本，并且可能會逐漸取代平面結構成為主流的SiC MOSFET結構。不過，溝槽結構也面臨著一些挑戰，如工藝復雜、單元一致性較差以及柵氧可靠性等問題，需要在未來的發展中加以解決。

• 新結構的探索：除了現有的平面結構和溝槽結構之外，研究人員可能會探索新的SiC MOSFET結構。這些新結構可能會結合平面結構和溝槽結構的優點，或者采用全新的設計理念，以實現更高的性能、更低的成本和更好的可靠性。例如，一些研究可能會致力于開發具有更好的電場分布、更低的寄生電容和更高的溝道遷移率的結構。

• 應用領域的拓展與深化

• 電動汽車市場的進一步滲透：隨著電動汽車市場的不斷發展，對高性能、高效率的功率器件的需求也在不斷增加。第四代SiC MOSFET技術將繼續在電動汽車領域得到廣泛應用，并且隨著技術的成熟和成本的降低，可能會逐漸應用于更多類型的電動汽車，包括中低端車型。除了電驅逆變器之外，還可能會在電動汽車的其他部件，如電池管理系統、充電樁等方面得到應用，進一步提高電動汽車的整體性能和能效。

• 工業領域的廣泛應用：在工業領域，第四代SiC MOSFET技術已經在大功率工業電機驅動器、太陽能逆變器、儲能系統和數據中心等方面得到了應用。未來，隨著技術的不斷進步，該技術將在更多的工業設備和系統中得到應用，并且有望實現更高的能效提升。例如，在工業自動化設備、智能電網等領域，第四代SiC MOSFET技術可能會發揮重要的作用，推動工業領域的智能化、高效化發展。

• 新興領域的開拓：隨著科技的不斷發展，一些新興領域如5G通信、物聯網等對功率器件也提出了新的要求。第四代SiC MOSFET技術的高功率密度、高效率和良好的可靠性等特性，使其有可能在這些新興領域得到應用。例如，在5G基站的電源模塊中，該技術可以提高電源效率，降低功耗，滿足5G通信對高功率、高效率的要求；在物聯網設備中，它可以為傳感器等設備提供高效的電源管理，延長設備的使用壽命。

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