GeneSiC的起源和碳化硅的未來(lái)

SiC 技術(shù)的先驅(qū)引領(lǐng)系統(tǒng)效率，高度關(guān)注可靠性和耐用性。近 20 年來(lái)， GeneSiC 開(kāi)創(chuàng)了高性能， 堅(jiān)固， 和可靠的碳化硅 （SiC） 用于汽車(chē)、工業(yè)和國(guó)防應(yīng)用的功率器件.作為首批碳化硅器件公司之一， GeneSiC 為政府機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了尖端的碳化硅技術(shù)?， 重點(diǎn)關(guān)注性能和穩(wěn)健性， 并發(fā)布了幾代碳化硅二極管和 MOSFET 技術(shù)，額定值高達(dá) 6.5 kV 在各種封裝中以及裸片.

2022年， 納微半導(dǎo)體收購(gòu)了GeneSiC半導(dǎo)體， 創(chuàng)建了業(yè)界唯一一家專(zhuān)注于SiC和GaN的純下一代功率半導(dǎo)體公司.Ranbir Singh博士， 創(chuàng)立了 GeneSiC 2004 現(xiàn)在是納微的 SiC 執(zhí)行副總裁， 在 SiC 功率技術(shù)方面擁有豐富的歷史， 從他在北卡羅來(lái)納大學(xué) （NCSU） 對(duì)第一個(gè) SiC 功率器件的研究開(kāi)始.2022 年，為了紀(jì)念這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的工作，Singh博士入選了 NCSU 電氣和計(jì)算機(jī)工程 （ECE） 校友名人堂。

憑借業(yè)界最寬的電壓范圍 – 從 650 V 到 6.5 kV – GeneSiC MOSFET 和肖特基 MPS 二極管一直處于 SiC 技術(shù)的前沿.該公司已參與 60 多個(gè)政府機(jī)構(gòu)項(xiàng)目，推動(dòng)了 SiC 性能、耐用性和可靠性的界限。其中包括為美國(guó)能源部（DOE）開(kāi)發(fā)用于儲(chǔ)能的6.5 kV SiC晶閘管，并網(wǎng)逆變器;用于國(guó)防應(yīng)用的 15 kV MOSFET 和 PiN 二極管;用于 NASA 金星探測(cè)任務(wù)的 500°C 單片集成 SiC 超結(jié)晶體管 JBS 二極管 （MIDSJT），以及用于 1200 V SiC DMOSFET 和 6.5 kV SiC 晶閘管的單片集成、抗輻射 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，用于美國(guó)海軍。

碳化硅市場(chǎng)

碳化硅（SiC）市場(chǎng)在過(guò)去幾年中迅速擴(kuò)大，這要?dú)w功于工程師對(duì)該技術(shù)的日益接受以及對(duì)如何最大限度地發(fā)揮使用寬帶隙功率器件的優(yōu)勢(shì)的了解。Yole Développement預(yù)測(cè)，到2027年，SiC器件市場(chǎng)將從202年的10億美元增長(zhǎng)到60億美元以上 第二 .這一增長(zhǎng)的很大一部分將來(lái)自汽車(chē)行業(yè)、太陽(yáng)能存儲(chǔ)系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用的解決方案。

2022年，美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量超過(guò)乘用車(chē)市場(chǎng)總量的5% ^第三^ ，加入其他 18 個(gè)已達(dá)到大規(guī)模采用門(mén)檻的國(guó)家/地區(qū)。然而，對(duì)于希望過(guò)渡到電動(dòng)汽車(chē)的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，仍然有兩個(gè)主要問(wèn)題——里程焦慮和充電時(shí)間。汽油和柴油汽車(chē)只需不到五分鐘即可充滿油，而對(duì)于第一代充電，電動(dòng)汽車(chē)至少需要 25 分鐘才能充電至 80%。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)制造商正在從 400 V 電池過(guò)渡到 800 V 電池，與路邊增壓器相匹配，峰值充電功率為 350 kW?，F(xiàn)在，像Genesis GV70 SUV這樣的電動(dòng)汽車(chē)使用3級(jí)，800 V 350 kW直流充電器，只需18分鐘即可獲得10-80%的電力。除了更高的功率輸出外，電壓的增加也降低了I^2^R傳輸功率損耗，降低散熱，降低電纜重量和成本。為了解決更高的電壓?jiǎn)栴}，電纜和電機(jī)繞組都需要增加絕緣性，并且逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須匹配。由于在更高電壓下提高了效率和性能改進(jìn)，1,200 V SiC MOSFET 非常適合滿足這一要求。

使用電動(dòng)汽車(chē)為您的房屋供電

電動(dòng)汽車(chē)的平均電池尺寸為 40 kWhr ^四^ .是普通住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）的四倍 ^v^ ，這意味著電動(dòng)汽車(chē)可以很容易地提供典型房屋一整天所需的能量。提供這種替代的“車(chē)輛到家庭”（V2H）方法將成為行業(yè)的顛覆性驅(qū)動(dòng)力，并改變我們未來(lái)使用能源的方式。從電動(dòng)汽車(chē)獲取電力將節(jié)省電力成本并減少電網(wǎng)的壓力需求，而在需求和成本較低時(shí)為電動(dòng)汽車(chē)充電可降低家庭賬單并支持更好的電網(wǎng)穩(wěn)定性。更重要的是，當(dāng)需求很高時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)還可以向電網(wǎng)（V2G）提供能量。這有可能改變公用電網(wǎng)，使其更加智能和動(dòng)態(tài)，電力在宏觀尺度上傳輸和儲(chǔ)存。

考慮到這一點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)制造商現(xiàn)在開(kāi)始推出雙向車(chē)載充電器 （OBC），為 V2H、V2G 和車(chē)輛到負(fù)載 （V2L） 提供雙向供電。日產(chǎn)聆風(fēng)、福特 F-150 閃電、現(xiàn)代 Ioniq 5、起亞 EV6 和三菱歐藍(lán)德 PHEV 今天都提供此功能。

這種下一代集成和整體電源解決方案越來(lái)越依賴于SiC功率器件。碳化硅 MOSFET 例如 GeneSiC 系列， 可以提供這些應(yīng)用所需的高溫、高速性能， 而 GeneSiC 合并引腳肖特基 （MPS） 碳化硅二極管必須以低泄漏承受過(guò)大的浪涌電流，同時(shí)提供低正向壓降和快速開(kāi)關(guān)特性.

快速充電站

GeneSiC滿足汽車(chē)行業(yè)需求的歷史還包括為快速充電站開(kāi)發(fā)解決方案，這對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的快速采用至關(guān)重要.以SK Signet最近設(shè)計(jì)的350 kW額定快速充電器為例，該充電器可轉(zhuǎn)換277 V。交流市電至精心控制的 200- 950 V直流適用于 400 和 800 V 額定電池供電的電動(dòng)汽車(chē)。每個(gè)快速充電器使用 168 x 1,700 輸入功率因數(shù)校正 （PFC） 和輸出整流器級(jí)中的 V 額定 GeneSiC 二極管提供高效， 穩(wěn)健的操作.高性能 GeneSiC 組件的運(yùn)行溫度高達(dá) 12 由于極低的閾值電壓（V 千 ）特性，可最大限度地節(jié)省能源并支持更長(zhǎng)的使用壽命運(yùn)行。

快速充電也是工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵要求， 再次， 正在部署 GeneSiC 技術(shù)以解決特定應(yīng)用的挑戰(zhàn).?？宋鞯录夹g(shù) ^六^ ， 例如， 采用新的， 領(lǐng)先的 GeneSiC 功率半導(dǎo)體，以確?？煽啃裕?安全性， 易用性， 和最佳充電在其下一代工業(yè)材料處理設(shè)備的高頻快速充電器.

Exide 的 2100 系列快速充電器可將 220 V 交流電源轉(zhuǎn)換為 24 至 80 V 之間的電池級(jí)電壓，適用于自動(dòng)導(dǎo)引車(chē) （AGV） 和叉車(chē)和托盤(pán)搬運(yùn)等載人物料搬運(yùn)設(shè)備。每個(gè) 7 kW 模塊使用 GeneSiC 750 V MOSFET 和具有頻率優(yōu)化架構(gòu)的 MPS 肖特基二極管.同一平臺(tái)可以升級(jí)到 10 kW，四個(gè)模塊并聯(lián)提供 40 kW 的可靠快速充電功率。

太陽(yáng)能

SiC的另一個(gè)重要增長(zhǎng)動(dòng)力是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、風(fēng)能、熱泵和儲(chǔ)能等領(lǐng)域的能源管理。

近年來(lái)，由于天氣條件和氣候變化，我們看到停電次數(shù)增加。2021 年，全球發(fā)生了 3.5 億次停電，在美國(guó)，報(bào)告的嚴(yán)重停電中約有 83% 歸因于天氣相關(guān)事件 ^v^ .由于電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到質(zhì)疑，客戶正在他們的家庭和企業(yè)中安裝太陽(yáng)能和BESS技術(shù)。事實(shí)上，美國(guó)與太陽(yáng)能電池板一起出售的電池存儲(chǔ)能力的“附加率”在短短18個(gè)月內(nèi)從9.5%增加到17.1%。擁有能源獨(dú)立和能夠離網(wǎng)生活不僅提供了安全性，而且還允許客戶優(yōu)化和管理能源存儲(chǔ)和使用，以降低電費(fèi)——在公用事業(yè)成本不斷增加的市場(chǎng)中，這是一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題。

GeneSiC 已經(jīng)在太陽(yáng)能市場(chǎng)建立了幾年， 其技術(shù)可以在各種逆變器中找到， 包括 KATEK 的 Steca coolcept fleX 系列 ^七^(guò) ，它將一串太陽(yáng)能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為 4.6 kW 的交流電，供家庭使用、返回電網(wǎng)或存儲(chǔ)在本地以供以后使用。

每個(gè)逆變器使用 16 個(gè) GeneSiC 1200 V， 75 mΩ 額定碳化硅 MOSFET 提供具有雙向升壓轉(zhuǎn)換器和用于交流電壓輸出的 H4 拓?fù)涞膬呻娖睫D(zhuǎn)換器.除了提供該應(yīng)用所需的性能和可靠性外，SiC技術(shù)的開(kāi)關(guān)頻率增加還可以減小無(wú)源元件的尺寸和重量，與傳統(tǒng)的硅基逆變器相比，這優(yōu)化了KATEK單元的尺寸和重量。

儲(chǔ)能

美國(guó)家庭平均每天使用29千瓦時(shí) ^八^ ，這種需求通常需要 20-25 塊太陽(yáng)能電池板。假設(shè)屋頂每天接受四個(gè)小時(shí)的陽(yáng)光照射，每個(gè)面板提供 350 W 的功率，那么將需要 22 塊面板。問(wèn)題在于，大約30%的用電量發(fā)生在太陽(yáng)能生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)。正午的日光最強(qiáng)，提供的能量也最大，但大多數(shù)房主都在工作，無(wú)法使用這種免費(fèi)能源。

將來(lái)自太陽(yáng)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)以供以后使用意味著當(dāng)房主在晚上回家時(shí) - 這是電網(wǎng)的電力成本達(dá)到峰值的時(shí)候 - 他們可以切換到電池系統(tǒng)。這減少了水電費(fèi)并優(yōu)化了能源的分配方式。

有幾種方法可以在BESS中存儲(chǔ)能量，包括太陽(yáng)能，電網(wǎng)連接，以及如前所述，來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)的能量。

BESS由電池模塊，電池管理系統(tǒng)（BMS），能量管理系統(tǒng)（EMS）和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）組成。典型的系統(tǒng)范圍在 10-20 kW 之間，這意味著為家庭供電 8 到 16 小時(shí)。寬帶隙器件，如SiC MOSFET和GaN功率IC，用于這些系統(tǒng)的逆變器和降壓-升壓級(jí)，以轉(zhuǎn)換AC-DC（從電網(wǎng)到電池），DC-DC（從太陽(yáng)能到電池）和DC-AC（從電池到電網(wǎng)或電池到家庭）。

碳化硅技術(shù)更新 – MOSFET

必須提供更高的性能和更高效的能源轉(zhuǎn)換和控制，同時(shí)通過(guò)世界電氣化和減少一氧化碳來(lái)支持環(huán)境可持續(xù)性2排放正在推動(dòng)面向大眾市場(chǎng)應(yīng)用的SiC解決方案的持續(xù)開(kāi)發(fā)。以， 以， GeneSiC 溝槽輔助平面柵極 MOSFET 技術(shù).

雖然與硅相比，SiC MOSFET由于其寬帶隙特性和高電場(chǎng)強(qiáng)度而具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和開(kāi)關(guān)性能，但使用平面或溝槽技術(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不得不在可制造性、性能和/或可靠性之間做出妥協(xié)。專(zhuān)利 GeneSiC 溝槽輔助平面柵極設(shè)計(jì)， 然而， 是一種不折不扣的下一代解決方案，支持高產(chǎn)量制造， 快速和涼爽的操作， 以及延長(zhǎng)的長(zhǎng)壽命可靠性.結(jié)合業(yè)界最低的 R DS（ON） 在高溫和高速下的最低能量損失，這些器件可實(shí)現(xiàn)前所未有的行業(yè)領(lǐng)先性能、穩(wěn)健性和質(zhì)量水平。

R的問(wèn)題 DS（ON） 溫度尤其重要。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)環(huán)境溫度可能高達(dá)80°C，器件電源循環(huán)會(huì)進(jìn)一步提高結(jié)溫。GeneSiC MOSFET 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了這一點(diǎn)，并支持業(yè)界最低的 R DS（ON） 溫度系數(shù)。在數(shù)據(jù)表中，R DS（ON） 額定溫度通常為 25 °C，但根據(jù)溫度系數(shù)，在高溫下會(huì)顯著升高。在測(cè)試中， 一個(gè) GeneSiC 1200 V， 40 mΩ 碳化硅 MOSFET 在 D2PAK 中與可比的領(lǐng)先碳化硅 MOSFET 技術(shù)進(jìn)行了比較， 并實(shí)現(xiàn)了等效的柵極驅(qū)動(dòng)和條件以揭示真正的比較.結(jié)果表明， GeneSiC MOSFET 在 25 °C 較低的外殼溫度下工作， 這導(dǎo)致顯著降低損耗和更高的系統(tǒng)效率.從可靠性的角度來(lái)看，25°C的冷卻器運(yùn)行意味著設(shè)備壽命延長(zhǎng)了三倍。

評(píng)估 SiC MOSFET 的其他重要“品質(zhì)因數(shù)”是電阻和面積以及電阻和柵極電荷。

最新的 Yole SystemPlus 碳化硅晶體管 2022 年報(bào)告比較了 12 種用于 RDS（ON）*面積和 RDS（ON）*QG 的碳化硅 MOSFET 技術(shù)， 結(jié)果表明，GeneSiC 的新型 MOSFET 技術(shù)優(yōu)于所有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手， 包括溝槽柵極結(jié)構(gòu)， 同時(shí)保持優(yōu)勢(shì)或平面柵極堅(jiān)固性， 短路能力和更簡(jiǎn)單的制造工藝.

* 圖3. 工作溫度比較。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖4. GeneSiC 開(kāi)創(chuàng)性的 MOSFET 技術(shù)引領(lǐng)行業(yè)，并通過(guò)第三方評(píng)估證明.圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

在 2019， GeneSiC 與桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)能源部合作，創(chuàng)建了一個(gè)最先進(jìn)的， 領(lǐng)先的單片集成 SiC 雙植入金屬氧化物半導(dǎo)體 （DMOSFET） 器件結(jié)構(gòu)與合并的 PiN 肖特基 （MPS） 二極管.該產(chǎn)品后來(lái)在100個(gè)研發(fā)獎(jiǎng)中獲得了綠色科技特別認(rèn)可。在 MOSFET 中集成 JBS 二極管可提供更高效的雙向性能、與溫度無(wú)關(guān)的開(kāi)關(guān)、低開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗、更低的冷卻要求以及卓越的長(zhǎng)期可靠性。典型應(yīng)用是“中壓”電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如牽引、脈沖電源和智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

MOSFET 和二極管的單片集成可在續(xù)流二極管工作期間實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗，而無(wú)需外部連接的肖特基二極管。此外，MOSFET結(jié)構(gòu)的內(nèi)置P阱/N漂移體二極管被旁路，這可能導(dǎo)致MOSFET的N-漂移層內(nèi)存在的基平面位錯(cuò)（BPD）故障。

* 圖5. 具有單片集成 MPS 二極管的 GeneSiC MOSFET 提高了第 3 象限操作的效率并顯著提高了可靠性.圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖6. 與分立式 SiC MOSFET 相比，帶 MPS 二極管的 3.3 kV 單片 MOSFET 在第三象限工作時(shí)具有顯著更低的壓降。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖7. 使用集成二極管的 3.3kV SiC MOSFET 可減少串聯(lián)器件數(shù)量，提高系統(tǒng)效率和可靠性，同時(shí)降低重量、尺寸和冷卻要求。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

通過(guò)考慮中壓（MV）電網(wǎng)到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)施，可以看出該技術(shù)提供的好處，其中MV電網(wǎng)通過(guò)隔離拓?fù)溥B接到BESS，例如雙有源橋（DAB）和有源前端轉(zhuǎn)換器（AFEC）。與兩電平拓?fù)湎啾龋娖街行渣c(diǎn)鉗位（NPC）逆變器降低了濾波器要求，降低了SiC MOSFET兩端的電壓應(yīng)力。

根據(jù)電網(wǎng)電壓，可以串聯(lián) SiC 3.3 kV MOSFET 二極管器件（圖 7），而低壓側(cè)由 1200 V SiC 器件支持。中頻變壓器的開(kāi)關(guān)頻率范圍為 10 - 20 kHz?？筛鶕?jù)功率要求使用單相或三相拓?fù)?。使用單個(gè) 3.3 kV SiC MOSFET 二極管替代串聯(lián)的多個(gè) 1.2 - 1.7 kV MOSFET 或 IGBT 具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括更容易的柵極驅(qū)動(dòng)、更低的寄生電感、更低的傳導(dǎo)損耗和更高的系統(tǒng)效率。除了系統(tǒng)尺寸和重量外，冷卻要求也可以大幅降低。

碳化硅技術(shù)更新 – 二極管和模塊

在PCIM 2023上，納微宣布了5^千^采用低內(nèi)置電壓偏置技術(shù)的合并引腳肖特基（MPS）二極管，提供卓越的FOM和最高的魯棒性，可在所有負(fù)載情況下為SMPS PFC應(yīng)用提供行業(yè)領(lǐng)先的效率。MPS 二極管的新穎設(shè)計(jì)結(jié)合了 PiN 和肖特基二極管結(jié)構(gòu)的最佳特性，產(chǎn)生最低的正向壓降 （V F ）、高浪涌電流能力 （I 密克羅尼西亞聯(lián)邦 ），并將與溫度無(wú)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗降至最低。專(zhuān)有的薄芯片技術(shù)進(jìn)一步降低了VF并改善了冷卻器操作的散熱。

此外，Gen 5 MPS 二極管專(zhuān)為需要高浪涌電流和雪崩能力的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有一流的魯棒性和耐用性，這對(duì)于故障安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要。所有 GeneSiC 設(shè)備都經(jīng)過(guò) 100% 雪崩 （UIL） 生產(chǎn)測(cè)試，以確保在過(guò)壓條件下最高水平的耐用性.

這些器件是連續(xù)電流模式 （CCM） PFC 電路的理想選擇，因?yàn)樗鼈兙哂谐錾钠焚|(zhì)因數(shù)，包括低 VF1.3 V 和最小容性電荷 （Q C ).此外，零反向恢復(fù)電荷改善了PFC MOSFET的導(dǎo)通性能。結(jié)果是一個(gè)更涼爽、更可靠的系統(tǒng)。

* 圖8. GeneSiC Gen 5 650V 二極管具有新穎的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低內(nèi)置電壓偏置，同時(shí)提供出色的品質(zhì)因數(shù) （QC.VF）。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖9. 在 3 kW 交錯(cuò)式升壓 PFC， 由于卓越的 FOM，GeneSiC 二極管在輕負(fù)載和滿負(fù)載下提供最高的系統(tǒng)效率.圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

SiCPAK 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管模塊

納微還宣布推出其模塊封裝產(chǎn)品組合，從SiCPak模塊開(kāi)始。 ^九^ .這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的壓接模塊在設(shè)計(jì)時(shí)將性能、可靠性和堅(jiān)固性放在首位。G3 1200V MOSFET 的半橋配置范圍為 6mOhms 以上。碳化硅 MOSFET 經(jīng)過(guò)銀燒結(jié)，可提供卓越的散熱和可靠性。此外，直接鍵合銅 （DBC） 基板由氮化硅 （Si3N4） 陶瓷上的活性金屬釬焊 （AMB） 制造，是高功率循環(huán)應(yīng)用的理想選擇。優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度、高斷裂韌性和優(yōu)異的導(dǎo)熱性使氮化硅（Si3N4）非常適合電力電子基板。

電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源和儲(chǔ)能等增長(zhǎng)市場(chǎng)正在推動(dòng)更高的系統(tǒng)效率要求，只有 SiC 功率器件才能實(shí)現(xiàn)這些要求。