SiC 器件取代服務器、電機、EV 中的 Si MOSFET 和二極管

我們似乎永無止境地需要以更高的效率交付的更多動力，而且這種需求沒有盡頭。即使單個組件降低了運行功率水平，它們所支持的系統(tǒng)也有望發(fā)揮越來越大的作用。因此，總功率需求正在增加，很容易超過單個組件所需功率的減少。

當然，電力需求增長的很大一部分是由于服務器和數(shù)據(jù)中心等大型設(shè)施造成的。然而，原因要廣泛得多。例如，電動機正在向長期由液壓動力或內(nèi)燃機主導的應用領(lǐng)域取得重大進展。這包括電動汽車和混合動力電動汽車（EV 和 HEV）以及大型機器人和重型建筑設(shè)備。

這些電力系統(tǒng)的工作室組件是硅基 MOSFET 和 IGBT。在過去的幾十年中，這兩種電源開關(guān)都取得了顯著改進，其能力擴展到高電壓和功率水平，并且靜態(tài) (R DS(ON) ) 和動態(tài)（開關(guān)）損耗均有所降低。不過現(xiàn)在，這些努力已經(jīng)達到了回報與研發(fā)成本遞減的地步。

一個新的競爭者變得非常真實

幸運的是，有一種顛覆性的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，并且已經(jīng)足夠成熟，可以用于大規(guī)模安裝并達到其市場采用拐點?；谔蓟?(SiC) 的開關(guān)設(shè)備（包括晶體管和二極管）正在重新定義電源相關(guān)電路的功能。與當今最好的純硅 MOSFET、IGBT 和二極管相比，它們的效率和范圍要好得多，并且已經(jīng)在頂級數(shù)據(jù)中心和服務器場中廣泛使用。

Yole Développement 于 2017 年 8 月發(fā)布的一份市場報告“Power SiC 2017：材料、設(shè)備、模塊和應用”對這種情況給出了一些數(shù)字。他們的研究認為，“SiC 技術(shù)的采用將在 2019 年加速，達到臨界點?！?該報告補充說：“……SiC 功率市場（二極管和晶體管）在 2015 年估計超過 2 億美元 (USD)，預計到 2021 年將超過 5.5 億美元，2015-2021 年的復合年增長率為 19%。SiC 二極管仍以 85% 的市場份額主導整個 SiC 市場……這一領(lǐng)先地位在數(shù)年內(nèi)都不會改變。與此同時，碳化硅晶體管……應該在 2021 年達到 27% 的市場份額?！?/p>

他們的采用通常具有降低成本、增加設(shè)計人員經(jīng)驗、創(chuàng)建更全面的規(guī)范和驗證可靠性數(shù)據(jù)的有益連鎖反應。所有功率級都受益，從高壓交流電到中檔直流電，甚至個位數(shù)直流軌電壓。（請注意，在基于氮化鎵的功率器件中也有類似的吸收，但沒有那么大。）

碳化硅優(yōu)勢

基于 SiC 的功率 MOSFET 和二極管是寬帶隙 (WBG)固態(tài)器件，它們與純硅器件既相似又不同。（它們的帶隙在 2 到 4eV 的范圍內(nèi)，而硅的帶隙在 1 到 1.5eV 的范圍內(nèi)。）雖然基礎(chǔ)物理相當復雜，但 WBG 材料至少在原則上能夠制造在顯著由于材料的固有特性，擊穿電壓和溫度更高（通常為 200° 至 300°C）。他們還通過更小、更輕的封裝和更高的效率實現(xiàn)了這一點。

雖然更小、更輕的封裝的優(yōu)點是顯而易見的，但為什么更高的電壓和溫度也是可取的呢？更高的電壓之所以具有吸引力，是因為它們一直以來的原因：對于相同的輸送功率 (P = VI)，它們可以降低電流水平，從而減少不可避免的壓降 (V = IR) 和耗散損耗 (P = I 2 R ) 當電流通過任何電阻時發(fā)生。更高的溫度允許功率組件和系統(tǒng)被更用力地推動，從而提供更多的輸出，從而減少將系統(tǒng)分成兩個或更多更小的子系統(tǒng)以提供相同功率的需要。

盡管 SiC 的優(yōu)點早已為人所知，但將理論轉(zhuǎn)化為實用、具有成本效益、可靠的設(shè)備一直是一項長期挑戰(zhàn)。但請記住，“馴服”硅并使其發(fā)揮今天的作用需要數(shù)十年時間，尤其是在功率設(shè)備中，所有缺陷和缺陷都會因熱量和功率水平而被放大。同樣，將 SiC 技術(shù)作為實用器件推向市場需要數(shù)年（以及無數(shù)美元）的基礎(chǔ)物理研究、創(chuàng)新工藝開發(fā)、獨特的器件結(jié)構(gòu)和新的制造技術(shù)，并得到合適的封裝和數(shù)百萬小時的測試和可靠性數(shù)據(jù)的支持。

現(xiàn)在與未來

僅在硅領(lǐng)域處于強勢地位的功率器件供應商，以及在非硅材料和工藝方面具有專業(yè)知識的功率器件供應商，都看到了 SiC 的近期和長期潛力，以及它如何滿足對更好、更便宜和更高效功率的需求. 活躍的參與者包括Infineon Technologies AG、Microsemi Corporation、CREE, Inc. (Wolfspeed)、General Electric、Power Integrations、Toshiba、ON Semiconductor、STMicroelectronics NV、NXP Semiconductors、ROHM Semiconductor和Renesas Electronics. 數(shù)百種已發(fā)布的基于 SiC 的 MOSFET 和二極管已經(jīng)集成并安裝在產(chǎn)品中。這些產(chǎn)品得到密集、持續(xù)的研發(fā)工作的支持，使 SiC 處于有吸引力的位置。

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