在功率電子領域，一場技術變革正在發生：在越來越多的應用中，GaN和SiC等第三代寬禁帶半導體器件正在逐步替代傳統的硅（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車、白色家電、通信基礎設施、可再生能源、數據中心等領域，SiC更是表現出強勁的實力。
SiC器件的性能優勢
從下圖可以看出，與Si材料相比，SiC有兩個突出優勢：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；二是SiC具有更高的熱導率，有利于功率器件熱性能的提升，以支持更高電流密度的應用。
圖1：SiC與Si材料特性比較
（圖源：Qorvo）
基于這樣的性能優勢，用SiC打造的開關器件（如MOSFET）與硅基器件相比，自然也是具有諸多優勢：
• 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。
• SiC器件具有較小的裸片尺寸和較低的寄生電容，以及更低的導通電阻，這可以帶來更低的開關損耗，提供更高的效率。
• 在給定的電壓和電阻等級，SiC功率器件能夠在更高的開關頻率下運行，因此允許采用體積更小的外圍無源元件，從而減小整個系統的尺寸及成本。
• 得益于出色的熱性能，SiC器件能夠在更高的環境溫度下正常工作，有助于簡化散熱系統設計。
簡而言之，SiC功率器件具有高電壓阻斷能力、低導通損耗、低開關損耗和高導熱性，因此可以為功率電子應用提供更高的效率、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。
也正因為此，眾多功率電子行業的“玩家”都在積極探索采用SiC技術替代硅基工藝，開發一系列功率器件，如BJT、JFET、MOSFET和IGBT等。不過，SiC商用器件的開發畢竟是一個全新的課題，想要實現從Si到SiC技術的絲滑升級，還需要做大量的功課。
實現這一技術迭代的關鍵著力點主要有兩個方面：一個是降低成本，包括SiC器件自身的成本，以及應用開發中的配套成本（如柵極驅動器）；另一個方面，就是要根據目標應用，充分發揮出SiC的優勢特性，開發出差異化的產品，為開發者提供更大的選擇空間。
通往SiC技術的新路徑
目前，在向SiC技術邁進的過程中，SiC MOSFET是很多廠商的“必選項”，這是因為與Si MOSFET相比，其具有耐壓高、導通電阻低、開關頻率高等突出優勢，且應用范圍非常廣泛。
不過，如上文所述，SiC MOSFET并不是“從Si向SiC絲滑升級”的唯一選項，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結耗盡層實現開關控制，同時正常狀態下單極性導電，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，導通電阻也會更小。
但是開發SiC JFET時面臨著一個挑戰：相較于SiC MOSFET，常開型的SiC JFET在器件阻斷時需要施加較大的負向偏置，以使得溝道區域完全夾斷，因此無法與現有功率器件（如MOSFET、IGBT等）的驅動電路兼容，這無疑會增加SiC JFET器件應用開發的難度。
為此，Qorvo采用了一種巧妙的方法——基于獨特的“共源共柵結構”電路配置，將一個常開型SiC JFET器件與一個硅基MOSFET垂直級聯、共同封裝，形成一個集成的常關型SiC FET器件，使得器件的驅動可以與硅基MOSFET / IGBT器件兼容，很好的解決了這一SiC技術升級中的關鍵問題。
圖2：Qorvo SiC FET器件結構框圖
（圖源：Qorvo）
從圖3中，我們可以進一步了解Qorvo SiC FET與SiC MOSFET相比的差異化優勢。
首先，Qorvo的SiC JFET中沒有SiC MOSFET的柵極氧化層，進而消除了溝道電阻，讓裸片尺寸更為緊湊，這意味著對于給定的芯片尺寸，Qorvo SiC FET可提供更低的導通電阻（RDS(ON)）；也就是說，在相同的導通電阻條件下，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，進一步強化SiC器件小型化的優勢。
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載電流下以更快的開關速度工作，因此電容充電延遲時間更短。由此帶來的好處是，減少了對電感器和電容器等較大體積無源元件的需求，使得終端設備能夠實現更小的體積、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）
總結一下，Qorvo SiC FET既具有SiC的性能優勢，又通過獨特的“Si MOSFET + SiC JFET”的垂直級聯架構，構成了一款更“高能”的器件。這樣的器件，對于功率應用的價值體現在：
• 可采用標準硅柵極驅動器，這使得從Si到SiC的技術過渡更加順暢，也為工程師提供了更大的設計靈活性。
• 相同芯片面積下，具有更低的漏-源導通電阻 RDS(ON)，可進一步提升系統效率。
• 更低的電容允許更快的開關速度、更高的工作頻率，減小了對大體積無源元件的需求。
• 可提供更高電壓等級 (1,200V或更高），而與同級別硅基IGBT相比又具有更高的工作頻率。
豐富的SiC FET產品組合
UF3C系列是Qorvo高性能SiC FET中的代表產品，具有超低柵極電荷，非常適合開關感性負載和需要標準柵極驅動的應用。由于可以兼容標準柵極驅動器，因此UF3C系列SiC FET可真正實現對硅基IGBT、FET、MOSFET或超結器件的“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，可廣泛應用于電動汽車充電、光伏逆變器、開關模式電源、功率因數校正模塊、電機驅動器和感應加熱等功率電子系統。
圖4：UF3C高性能SiC FET
（圖源：Qorvo）
值得一提的是，Qorvo不斷發展這種共源共柵結構SiC FET的產品組合，既包括采用平面工藝的第3代產品（如UF3C），還包括性能更為出色的基于溝槽工藝的第4代產品。同時，Qorvo還提供豐富的產品系列，以滿足不同應用場景所需：
UJ系列
開關速度較慢，非常適合替代現有的非開爾文封裝設計，如TO247-3L、D2PAK3L等。
UF系列
具有更快的開關速度，適用于高開關頻率、高效率和高功率密度應用。
UG系列
有兩個柵極引腳，分別用于SiC JFET和Si MOSFET。SiC JFET柵極引腳可實現非常寬的開關速度可控性。其目標應用是具有非常高的電流和相對較慢的dv/dt（<20V/ns）的場景，如電路保護等。
C/SC系列
即并排共源共柵或堆疊共源共柵——字母“C”表示共源共柵結構并排封裝了Si低壓MOSFET和SiC高壓JFET；字母“SC”表示共源共柵結構在SiC高壓JFET芯片的頂部連接了一個Si低壓MOSFET芯片，因此稱為堆疊芯片。
E1B模塊
采用行業標準模塊封裝，與許多供應商產品引腳兼容，適合于ZVS軟開關應用，如相移全橋、LLC等。
本文小結
在功率半導體領域，從Si向SiC技術過渡已經是大勢所趨，對此大家已經形成了共識。不過，如何讓這個過程更“絲滑”，以盡可能少的成本從SiC身上獲得盡可能大的收益——對于這個問題，不同的廠商則有自己不同的高招兒。
對此，Qorvo給出的解決方案非常獨特而巧妙，通過Si MOSFET + SiC JFET的共源共柵的架構，彌補了SiC MOSFET的性能短板，并與標準的硅基器件的柵極驅動器兼容，能夠有效加速SiC器件設計導入的進程。
從Si到SiC，該如何絲滑升級？你想要的答案就在這里——
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