碳化硅方案与硅方案成本比较

下面的文章打算反驳以下的常见说法：SiC功率元件的效率远远超过硅元件，但仍然过于昂贵。
在过去年10年中，CREE一直致力于碳化硅二极管市场，其间开发了五代产品。推出了600V、650V、1200V、1700V击穿电压：lf=1A-50A正向电流的范围广泛的各种封装的二极管。同时，碳化硅二极管己成为PFC、电源单元、UPS、DC/DC转换器和逆变器等应用公认的器件。与传统硅二极管相比，碳化硅二极管有恒定的温度和非常小的Qrr，因此开关频率可以大大增加，并且可以实现高性能增益。
由于在碳化硅二极管之间几乎没有任何差别这样的事实，该技术己得到了充分的发展。客户的关键挑战是不要让自己被标记欺骗，而是要仔细阅读数据表，因为有些制造商是在个一比CREE等公司更低的工作点测量温度和电流。选择适应客户工作点的合适的二极管是非常重要的，不仅是一个成本因素的问题。   
在2011年11月，CREE公司推出了同行业中第一款碳化硅MOSFET (CMF20120D，1200V，80欧姆)。同时，160欧姆1200V器件(CMF10120D)采用了TO-247封装。CMF20120D的价格大大高于一个分立式硅IGBT的价格。然而，在2013年2月发布的第二代80欧姆MOSFET (C2M0080120D)却带来了约50%的成本降低，这主要是由于减少了芯片尺寸的大小。第二代器件的另一大优势是减少了主要带来开关损耗从而产生热量的电容。同时，推出了一款1200V/25欧姆和1700V/40欧姆的器件。除了更优惠
的价格和更小的开关损耗，另外栅极源极电压的电压范围还增加到了-5V到-10V。因此，可以实现更快的开关关闭速度。图1示出了第一代和第二代80欧姆CREE MOSFET的比较。 人们不一定在分立级别上比较晶体管的成本，但你必须仔细看看整个系统的成本。增加的频率可能意味着显着地降低了电感的大小。由于开关损耗少，散热片的大小也可以大大减少，或可以完全省略散热片。因此，我们的客户能够实现更高的效率，同时降低了整体系统成本。 在PCIM 2013上，CREE公司展出了“全碳化硅10KW交错式升压逆变器”，评估了碳化硅和硅的性能、BOM和整体系统成本。
第一代和第二代80欧姆CREE MOSFET与最新代Si IGBT相比，碳化硅MOSFE可以由Ggs=15V/-2V驱动。 然而，一个更好的性能是在Vgs=18V/-2V条件下实现的。为了提高效率的可比性，在Vgs=18V/-2V和15V/-2V条件下分别记录了C2M0080120D和Si-IGBT以及C2M0080120D和CMF20120D的效率曲线。
外部栅极电阻RG=2欧姆，输人和输出电压Vin=450VDC， Vout= 640VDC。CREE C4D10120D一直被用作反激二极管。
在Si-IGBT已经被切换为20 kHz。CREE MOSFET的开关频率为100 kHz。很明显，在Vgs=18V/-2V和Vgs=15V/-2V条件下，C2M0080120D比Si-IGBT实现了更好的效率。 效率当然是客户应用的个重要特征。由此造成的系统损耗和热成像很重要，但是，更重要的是系统设计者。此外，通过热成像仪记录的热成像可以在图4a4c的图像中看到。
此外，在相同转换器中比较了竞争者的SiC-MOSFET。在6d图像中可以看出结果。C2M0080120D比CWIF20120D冷了15℃，比竞争对手的SiC-MOSFET冷了近38'C。实际上CMF20120D温度低了约13C。 现在比较BOM时，下列事实可以成立．虽然功率半导体的百分比只有硅基解决方案的5%，但最终整体成本较高。其中一个原因是由于较高的频率可以减少电感，另一个原因是开关损耗相当低，因此在SiC-MOSFET的情况下有更好的热成像，从而有可能减少散热器的大小和成本。如果开关频率提高到f= 100 kHz，碳化硅基解决方案的BOM成本可以降低5%。显著减少的整个系统的尺寸和重量也必须考虑在内。