您知道碳化硅品质优值（Figures of Merit）的重要性吗
电力电子学涵盖了从毫瓦到兆瓦的广泛应用。目前，电动车充电器及其动力系统、太阳能发电和电网储能的能源储存，是三个特别受关注的领域。
当然，所有这些领域的基本主题是节约能源以降低成本和环境影响。作为其中的一部分，电力转换阶段的效率是一个重点，所使用的半导体也是如此。
对于电动车来说，目标是要从给定的电池满充值中达成最快的充电时间和最长的续航里程。在太阳能方面，损耗必须最小化，以使安装在经济上可行，能够快速收回投资。储能系统使能源分配更加可靠和多功能，提供峰值电力需求，并作为汽车电池或其他可再生资源（如太阳能和风能）中多余能量的储存器。
SiC半导体是能源市场增长的助推器
在上述所有情况下，都有AC-DC、DC-DC和DC-AC功率转换的器件，以及功率因数校正，都是通过开关电源级实现的。历史上所使用的半导体是高功率的IGBT，也许是低功率的硅MOSFET。然而，新的宽带隙半导体被越来越多地使用，特别是碳化硅（SiC）MOSFET和二极管，因为它们在高频开关时损耗较低，这本身就大大节省了尺寸、重量和成本。
碳化硅半导体现在是上述领域增长的助推器。太阳能组串逆变器的年复合增长率为13%，汽车充电器的年复合增长率为26%，分散式储能系统的年复合增长率为17%。事实上，一些开关拓扑结构只能搭配宽带隙器件才是实用的，如现在流行的高功率下的图腾柱PFC。"
主要的半导体制造商都已进入宽带隙器件市场，并宣传其产品在某些方面具有竞争优势。这可能使产品设计师在选择时感觉困难。但既定的品质优值（Figures Of Merit，FOM）可以用来比较不同器件。首先，拿它来说明 SiC 相对于硅技术的优势是很有用的。
碳化硅材料特性总结
碳化硅技术有利于更好的导热性。(来源：安森美）
在终端应用中的好处，是更低的传导损耗和更低的开关损耗，因此在IGBT可能被限制在20kHz以下的典型应用中，开关频率可以被推高到数十或数百kHz。更高的频率使相关的无源元件更小，特别是储能和滤波功能的电感器。
另外，开关频率可以保持在较低的水平，动态损耗也变得如此之小，以至于几乎不需要散热器，从而减小硬件、能源成本和重量。由于 SiC 具有更好的导热性和潜在的更高工作芯片温度，SiC 还能在给定的芯片尺寸上实现更高的耗散，尽管实际上这一定程度受到封装材料的限制。
使用品质优值（FOM）进行同类项比较
SiC的相对优势必须在特定条件下进行评估才有效，这就是FOM适用于某一特定类别器件的地方。
例如，比较额定电压为60V的SiC MOSFET和额定电压为650V的SiC MOSFET的导通电阻是没有用的，即使在给定的额定电压下，还有其他因素。例如，onsemi的650V额定SiC MOSFET在栅源电压为18V的情况下，具有市场上最低的导通电阻。竞品部件也可以达到相同的电阻，但只有在VGS限制在15V的情况下。FOM RDS.A 也很有用，它是一个特定电压等级器件的导通电阻和芯片面积的乘积。这概括了导通损耗和裸片尺寸（die size）的实际权衡，这反过来又影响到器件电容、开关能量和每个晶圆（wafer）的裸片数量。这也暗示了预期的成本，每片晶圆上有更多的裸片可以带来规模经济。然而，较小的裸片对外壳的热阻相对较高。
FOM也可能只在某些情况下相关。例如，RDS.QG将导通损耗与栅极电荷联系起来 —— 栅极电荷在栅极驱动电路中产生与频率有关的动态损耗，但这些损耗只有在非常高的开关速率下才变得重要，因为SiC MOSFET的QG反正是非常低。然而，损耗会随着栅极总电压的摆幅而增加，因此如果在off状态下栅极从最大的正电压被驱动到负电压，损耗就会相对较高。另一个与应用有关的FOM是RDS.EOSS。这结合了软开关拓扑结构中的传导损耗和动态损耗，而RDS.QRR更适用于硬开关电路，其中器件本体二极管的能量回收QRR必须小，以实现较低的动态损耗。对于SiC二极管，一个有用的FOM是VF.QC，一个低VF.QC数值标志着低正向压降和反向电荷的组合达到了最小的整体损失。
其他可以在Si和SiC以及SiC器件之间进行比较的参数有：栅极阈值电压及其稳定性、开通和关闭能量、导通电阻随温度的变化、工作和最大栅极电压之间的余量、短路耐受时间、雪崩能量和体二极管的正向压降及其恢复时间和恢复电荷。
软性FOM也很重要
上述所提到的FOM可以在器件数据表中看到，并通过实验室测量进行验证，但还有其他软性因素，它们更难量化，但同样重要。
质量是显而易见的，不仅是在产品的可靠性和一致性方面，而且在可用性和支持方面。半导体制造商对其供应链和制造过程进行严格的端对端控制，是实现这一目标的最佳途径。在这种情况下，安森美决定进行垂直整合，使SiC晶圆的制造和外延层完全在公司内部进行，以便达到150毫米/200毫米的水平。目前，SiC的制造技术是平面的，但未来的趋势是沟槽。所有常见的封装方式都得到了支持，从提供裸片到含铅和不含铅的离散元件，再到适合高功率应用的IGBT/SiC混合模块和全SiC模块。
质量控制
这些类型的碳化硅晶圆缺陷被筛选出来
2022年5月，安森美推出了世界上第一个用于SiC MOSFET的无引线封装（TOLL）的新产品。该系列的第一个器件额定电压为650V，导通电阻为33欧姆。它的尺寸仅为9.9 x 11.68毫米，与D2PAK封装相比，可节省30%的PCB面积。它的高度为2.3毫米，占用的体积也减少了60%。TOLL封装是利用低导通电感（约2 nH）和开尔文源连接的特点，充分利用SiC MOSFET高边缘速率（high edge-rate）的性能，实现高效率和高功率密度，同时控制EMI并使PCB设计变得简单的一个例子。
像所有的新技术一样，SiC也有它的初期问题，特别是晶圆缺陷，但安森美已经实施了世界级的质量控制方法，将其影响降低到可以忽略不计的水平。已发现的缺陷有螺纹错位（threading screw dislocation，TSD）、螺纹边缘错位（ threading edge dislocation，TED）和基底板错位（ basal plane dislocation，BPD）。
安森美的产品可靠性筛选包括在100%额定电压和175°C下的测试、内在栅极氧化物可靠性测试、宇宙辐射抗性以及验证栅极阈值和相关参数的稳定性。这是为了解决SiC技术发展早期对栅极特性随栅极偏压和老化而漂移的担忧。还有对体二极管的正向电压进行测试，以检查退化情况。如果说SiC MOSFET与Si-MOSFET相比有什么缺点的话，那就是体二极管的正向压降可能会高出几倍，尽管在恢复情况下速度快得多。因此，对VF的实际值及其一致性的信心很重要。
雪崩测试
所示为安森美 EliteSiC MOSFET M3S 1200V 22mohm的雪崩特性。(来源：安森美)
在生产中，在外延生长前后都要对晶圆进行缺陷扫描，而且还要对裸片进行100%的雪崩测试。这在典型的电感负载应用中是一个重要的考虑因素，如电机驱动，也是SiC和另一类宽带隙半导体GaN之间的一个区别，GaN没有雪崩等级。在下面的SiC MOSFET例子中，雪崩能量为267 mJ，基于25°C启动，L=1 mH，IAS=23.1 A，VDD=100 V和VGS=18 V。比较而言，相同条件下类似等级的Si-MOSFET该数值为264 mJ（onsemi NTHL020N120SC1）。
老化测试也是在较高的环境温度和最大栅极电压下进行的，以消除任何外在的栅极氧化物故障。在安森美，符合汽车标准的过程控制也为产品性能和一致性提供了额外的保证。
安森美提供的EliteSiC 产品总共包括额定电压为650V、1200V和1700V、电流为4至50A的二极管，额定电压为650V、900V和1200V、电流为17.3A至163A的MOSFET，900V和1200V的模块，有两组、四组和六组变体，以及为维也纳整流器配置的MOSFET部件。还提供半桥和全桥版本，以及带有集成EliteSiC MOSFET和二极管的模块，用于双通道和三通道升压级（boost stages）。为支持其产品，安森美的工程师在工业和汽车应用方面拥有深厚的专业知识，他们在全球各地提供安全的端到端EliteSiC 解决方案。