一、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技术的特点

• 低导通电阻

• 第四代SiC MOSFET的导通电阻（RDS(on)）明显低于前几代产品。例如罗姆公司的第四代产品，在芯片尺寸相同且不牺牲短路耐受时间的前提下，采用改进的双沟槽结构，使得MOSFET的导通电阻降低了约40%。意法半导体的第四代产品也有类似的低导通电阻特性，这一特性可以最大限度地降低导通损耗，进而提高系统的整体能效。

• 低导通电阻还意味着在相同的工作条件下，器件产生的热量更少。这有助于减少散热系统的负担，使得整个系统的设计更加紧凑，并且可以降低因过热导致的故障风险，提高系统的可靠性。

• 开关速度快与开关损耗低

• 第四代碳化硅的开关速度更快，开关损耗更低。对于高频应用来说，这是至关重要的特性。在现代电力电子系统中，如电动汽车的电驱逆变器、工业电机驱动器等，高频工作可以提高系统的响应速度和控制精度。

• 以罗姆的第四代SiC MOSFET为例，通过大幅降低栅漏电容（Cgd），成功使开关损耗比以往产品降低约50%。更快的开关速度和更低的开关损耗使得电源转换器可以更加紧凑、高效，能够满足现代电子设备对小型化、高效率的要求。




• 高功率密度与小尺寸

• 第四代产品继续提供出色的RDS(on) x裸片面积的品质因数，确保高电流处理能力和最小损耗。以25摄氏度时的RDS(on)为参考，第四代器件的裸片平均尺寸比第三代器件减小12 - 15%，可实现更紧凑的电源转换器设计，节省宝贵的电路板空间，降低系统成本。

• 高功率密度使得在相同的体积下，能够处理更高的功率，这对于空间受限的应用场景，如电动汽车和数据中心等，具有很大的优势。它可以帮助设计师在有限的空间内集成更多的功能，或者减小整个设备的体积和重量。

• 良好的稳健性

• 第四代技术在动态反偏测试(DRB)条件下的稳健性表现更加出色，且超过了AQG324标准，确保在恶劣条件下正常可靠工作。例如在汽车应用中，车辆可能会面临各种复杂的环境条件，如高温、高湿度、振动等，第四代SiC MOSFET能够在这些条件下稳定工作，提高了整个系统的可靠性和安全性。

• 意法半导体的第四代产品在满足汽车和工业市场需求的同时，还针对电动汽车电驱系统的关键部件逆变器进行了特别优化，展现出了良好的适应能力和稳健性。

二、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技术的应用领域

• 电动汽车领域

• 电驱逆变器：这是第四代SiC MOSFET技术在电动汽车中的主要应用。与硅基解决方案相比，该技术能效更高、尺寸更小、重量更轻、续航更长。意法半导体等公司推出的第四代产品，能够分别提高400V和800V电动汽车平台电驱逆变器的能效和性能，有助于汽车制造商生产续航里程更长的高端车型。并且，将SiC的技术优势下探到中型和紧凑车型，有助于让电动汽车被更多消费者接受。例如，特斯拉在其第三代和第四代主驱逆变器中开始正式使用碳化硅技术，使得电动汽车的性能得到了显著提升。

• 车载充电器（OBC）和DC - DC转换器：这些部件在电动汽车中负责电能的转换和管理。第四代SiC MOSFET的高效率和高功率密度特性，可以提高充电效率，缩短充电时间，并且减小这些部件的体积和重量，从而为电动汽车节省更多的空间，提高车辆的整体性能。

• 其他应用：还可用于电动汽车的车载空调压缩机等设备，通过提高能效，降低能耗，进一步提升电动汽车的整体能效和性能。

• 大功率工业电机驱动器

• 新一代SiC MOSFET改进了开关性能和稳健性，这使得电机控制器变得更高效、更可靠。在工业环境中，电机驱动器需要长时间稳定运行，并且要能够适应不同的负载和工作条件。第四代SiC MOSFET能够降低工业电机驱动器的能耗和运营成本，提高整个工业生产过程的效率。例如，在大型工厂中的风机、水泵等设备的电机驱动系统中，使用第四代SiC MOSFET技术可以实现显著的节能效果。

• 可再生能源应用

• 太阳能逆变器：太阳能光伏发电系统需要将直流电转换为交流电，太阳能逆变器在这个过程中起着关键作用。第四代SiC MOSFET可以提高太阳能逆变器的能效，减少能量转换过程中的损耗，从而提高整个太阳能发电系统的发电效率，增加发电量。

• 储能系统：在储能系统中，无论是电池储能还是其他形式的储能，都需要高效的功率转换设备。第四代SiC MOSFET技术能够提高储能系统的能效，有助于实现可持续化和成本效益更高的能源解决方案。例如，在一些大型的储能电站中，使用这种技术可以提高储能和放电的效率，降低运营成本。

• 数据中心

• 人工智能服务器数据中心的电源模块需要应对巨大的功率需求和热管理挑战。第四代SiC MOSFET高能效和紧凑尺寸的技术特性对于解决这些问题至关重要。它可以提高电源模块的效率，减少热量产生，从而降低数据中心的冷却成本，并且可以在有限的空间内提供更高的功率，满足数据中心不断增长的能源需求。

三、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技术的发展现状

• 技术优化与产品推出

• 意法半导体已经推出其第四代STPOWER碳化硅（SiC）MOSFET技术，并且在功率效率、功率密度和稳定性方面树立了新的标杆。该公司已经完成第四代SiC技术平台750V电压等级的产前认证，预计将在2025年第一季度完成1200V电压等级的认证，之后标称电压为750V和1200V的产品将上市销售。这意味着意法半导体在第四代SiC MOSFET技术的商业化进程上取得了重要进展，为该技术在市场上的广泛应用奠定了基础。

• 罗姆公司也在第四代SiC MOSFET技术方面处于领先地位，其于2020年完成开发第4代SiC MOSFET，目前不仅可供应裸芯片，还可供应分立封装的产品。罗姆公司还计划在2021 - 2025年投入大量资金扩充碳化硅产能，这表明罗姆对第四代SiC MOSFET技术的市场前景充满信心，并且在积极推动该技术的大规模生产和应用。

• 与汽车和工业市场的结合

• 在汽车市场方面，一线电动汽车厂商正与意法半导体达成合作，将第四代SiC技术引入他们的新车型，以提高性能和能源效率。这说明第四代SiC MOSFET技术已经得到了汽车制造商的认可，并且开始逐步应用于实际的电动汽车生产中。同时，该技术在满足汽车市场需求的同时，也针对电动汽车电驱系统的关键部件逆变器进行了特别优化，这有助于进一步提高电动汽车的性能和可靠性。

• 在工业市场方面，第四代SiC MOSFET技术适用于各种大功率工业设备，包括电机驱动器、太阳能逆变器、储能解决方案和数据中心等日益增长的应用，并且能够显著提高这些应用的能效。这表明该技术在工业领域的应用范围正在不断扩大，对于推动工业领域的节能减排和高效发展具有重要意义。

• 技术创新仍在进行

• 意法半导体通过垂直整合制造战略加快SiC功率器件的开发，同时还在开发多项SiC技术创新，计划在2027年前推出更多先进的SiC技术创新成果。例如，其第五代SiC功率器件将采用基于全新工艺的高功率密度创新技术，并且正在开发一项突破性创新技术，有望在高温下实现更出色的导通电阻RDS(on)参数，进一步降低RDS(on)。这显示出第四代SiC MOSFET技术并不是终点，而是一个持续发展的过程，未来还有很大的提升空间和发展潜力。

四、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技术与前代的比较

• 导通电阻方面

• 第四代SiC MOSFET的导通电阻（RDS(on)）显著低于前几代产品。如罗姆公司的第四代产品在不牺牲短路耐受时间的前提下，相比第三代产品，导通电阻降低了约40%。更低的导通电阻意味着在电流通过器件时，产生的能量损耗更小。在电力电子系统中，导通损耗是一个重要的性能指标，较低的导通损耗可以提高系统的整体效率，减少发热，对于提高系统的可靠性和延长器件的使用寿命具有重要意义。

• 前代产品由于导通电阻较高，在相同的工作条件下，会产生更多的热量，这就需要更大的散热系统来保证器件的正常工作，从而增加了系统的体积和成本。

• 开关性能方面

• 第四代碳化硅的开关速度更快，开关损耗更低。与前代产品相比，这一特性使得第四代SiC MOSFET在高频应用中具有更大的优势。例如，罗姆的第四代产品通过改进结构大幅降低了栅漏电容（Cgd），从而使开关损耗比以往产品降低约50%。更快的开关速度可以提高电源转换器等设备的工作频率，从而实现更紧凑、高效的电源转换电路设计，这是前代产品难以达到的。

• 前代产品的开关速度相对较慢，开关损耗较高，这限制了它们在高频、高效率应用场景中的使用，例如在一些需要快速响应和高功率密度的电动汽车电驱系统和数据中心电源模块等应用中，前代产品可能无法满足性能要求。

• 尺寸与功率密度方面

• 第四代产品以25摄氏度时的RDS(on)为参考，其裸片平均尺寸比第三代器件减小12 - 15%，并且具有更高的功率密度。这使得第四代SiC MOSFET能够在更小的空间内实现更高的功率处理能力，有利于实现设备的小型化和轻量化。例如在电动汽车中，更小的功率器件可以为车辆节省更多的空间，同时减轻重量，有助于提高电动汽车的续航里程。

• 前代产品的裸片尺寸相对较大，功率密度较低，在一些对空间和重量要求严格的应用场景中，使用前代产品可能会受到限制，需要更大的电路板面积或者更复杂的散热系统来保证器件的正常工作。

• 稳健性方面

• 第四代技术在动态反偏测试(DRB)条件下的稳健性表现更加出色，且超过了AQG324标准，能够在恶劣条件下正常可靠工作。这一特性使得第四代SiC MOSFET在一些环境条件较为复杂的应用场景中具有更好的适应性，如汽车和工业环境。

• 前代产品在稳健性方面可能相对较弱，在面对恶劣的工作环境时，可能会出现性能下降或者故障的风险较高，需要采取更多的保护措施来确保其正常工作。

五、第四代碳化硅(SiC) MOSFET技术的未来趋势

• 技术性能持续提升

• 进一步降低导通电阻：从罗姆公司的规划来看，其计划在2025年、2028年分别再降30%，实现第5代、第6代产品的导通电阻降低目标。意法半导体也在开发一项突破性创新技术，有望在高温下实现更出色的导通电阻RDS(on)参数，进一步降低RDS(on)。导通电阻的持续降低将进一步提高系统的能效，减少能量损耗，这对于提高各种应用设备的性能和效率至关重要，特别是在对能效要求极高的电动汽车和数据中心等领域。

• 提高开关速度和降低开关损耗：随着技术的发展，未来的SiC MOSFET可能会采用新的结构和材料，进一步提高开关速度，降低开关损耗。这将使得电源转换器等设备能够在更高的频率下工作，实现更高的功率密度和更小的体积，满足电子设备不断朝着小型化、高性能化发展的需求。

• 优化栅氧保护：目前SiC MOSFET存在的一个问题是在反向偏置过程中，栅极氧化物处有更高的电场。未来的发展趋势可能是通过改进结构或者采用新的材料，优化栅氧保护，提高器件的可靠性和稳定性，从而延长器件的使用寿命，降低故障风险。

• 结构改进与创新

• 沟槽结构的进一步发展：目前，沟槽型SiC MOSFET已经显示出了很多优势，如罗姆的第四代双沟槽结构产品具有低导通电阻等优点。未来，沟槽结构可能会得到进一步的改进和优化，例如减小元胞尺寸，提高沟道密度等。通过这些改进，可以进一步提高器件的性能，降低成本，并且可能会逐渐取代平面结构成为主流的SiC MOSFET结构。不过，沟槽结构也面临着一些挑战，如工艺复杂、单元一致性较差以及栅氧可靠性等问题，需要在未来的发展中加以解决。

• 新结构的探索：除了现有的平面结构和沟槽结构之外，研究人员可能会探索新的SiC MOSFET结构。这些新结构可能会结合平面结构和沟槽结构的优点，或者采用全新的设计理念，以实现更高的性能、更低的成本和更好的可靠性。例如，一些研究可能会致力于开发具有更好的电场分布、更低的寄生电容和更高的沟道迁移率的结构。

• 应用领域的拓展与深化

• 电动汽车市场的进一步渗透：随着电动汽车市场的不断发展，对高性能、高效率的功率器件的需求也在不断增加。第四代SiC MOSFET技术将继续在电动汽车领域得到广泛应用，并且随着技术的成熟和成本的降低，可能会逐渐应用于更多类型的电动汽车，包括中低端车型。除了电驱逆变器之外，还可能会在电动汽车的其他部件，如电池管理系统、充电桩等方面得到应用，进一步提高电动汽车的整体性能和能效。

• 工业领域的广泛应用：在工业领域，第四代SiC MOSFET技术已经在大功率工业电机驱动器、太阳能逆变器、储能系统和数据中心等方面得到了应用。未来，随着技术的不断进步，该技术将在更多的工业设备和系统中得到应用，并且有望实现更高的能效提升。例如，在工业自动化设备、智能电网等领域，第四代SiC MOSFET技术可能会发挥重要的作用，推动工业领域的智能化、高效化发展。

• 新兴领域的开拓：随着科技的不断发展，一些新兴领域如5G通信、物联网等对功率器件也提出了新的要求。第四代SiC MOSFET技术的高功率密度、高效率和良好的可靠性等特性，使其有可能在这些新兴领域得到应用。例如，在5G基站的电源模块中，该技术可以提高电源效率，降低功耗，满足5G通信对高功率、高效率的要求；在物联网设备中，它可以为传感器等设备提供高效的电源管理，延长设备的使用寿命。

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