超級充電汽車,可以預(yù)見的未來碳化硅革命

在去年歐洲慕尼黑電子展上，意法半導(dǎo)體ST的產(chǎn)品推廣工程師Michael Lütt 進行了一場題為碳化硅（SiC）助力實現(xiàn)零排放行駛的演講，給大家介紹了ST目前在汽車級碳化硅二極管和MOSFET（場效應(yīng)晶體管）應(yīng)用方面領(lǐng)先成果；以及該寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體正在如何改變我們的車輛，從而向采用零排放汽車的重要時刻更邁進一步。

事實上，我們在碳化硅器件研發(fā)方面的投入使我們能夠為工業(yè)和汽車應(yīng)用提供業(yè)界領(lǐng)先的碳化硅MOSFET和碳化硅二極管。它們以高壓設(shè)計為應(yīng)用目標(biāo)，因為它們具有650V或1200 V額定電壓（根據(jù)部件編號而定），可以耐受當(dāng)今市面上最高的200oC結(jié)溫。然而，這些震撼市場的元件的實現(xiàn)過程遠非如此簡單。

不止應(yīng)用于汽車、碳化硅革命及其對硅器件的影響

自19世紀(jì)90年代初期粉末狀合成材料開始大規(guī)模生產(chǎn)以來，碳化硅器件已經(jīng)不是什么新鮮事了；而20世紀(jì)初的第一批收音機中便應(yīng)用了這種材料。第一批LED也使用了碳化硅晶體，在陰極處發(fā)出黃色輝光。然而，在此之前，這種材料很難集成到復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，因為基片制造難度很高，從而使得碳化硅二極管和MOSFET的價格過于昂貴。當(dāng)新的制造方法使碳化硅器件的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能時，這些限制因素都不復(fù)存在。目前，碳化硅器件正在改變許多依賴于高壓系統(tǒng)的行業(yè)，例如井下石油鉆機的功率變換器、數(shù)據(jù)中心的電源、太陽能逆變器等等。

碳化硅器件可以延長電動汽車的電池壽命，但沒有多少人明白這并不意味著傳統(tǒng)硅元件的消亡。事實上，盡管業(yè)界非常需要碳化硅二極管和MOSFET來推動電動汽車更加普及，制造商仍然在汽車的所有數(shù)字系統(tǒng)以及低電壓應(yīng)用中廣泛使用傳統(tǒng)硅芯片。每種材料都具有內(nèi)在性質(zhì)，在特定的用例中提供極高的價值和性能。為了掌握碳化硅在未來將扮演的角色，我們必須深入研究其原子結(jié)構(gòu)，看看它能在什么樣的設(shè)計中發(fā)揮最大作用。

多型體，作為革命起源的碳化硅晶格

根據(jù)其最基本的表達式，碳化硅是由硅(Si)和碳(C)原子組成的化合物，這些原子排列成三維立方、六邊形或矩形晶格的形狀。這種原子結(jié)構(gòu)表明，碳化硅在電子器件中很難普及應(yīng)用的原因在于它的晶形大大增加了行業(yè)生產(chǎn)碳化硅晶片和在其上構(gòu)建器件時的復(fù)雜度。此外，碳化硅是多晶形的，意味著晶格可以有多種形式。碳化硅實際上是最具多態(tài)性的半導(dǎo)體之一，因為我們目前就知道其有250多種多型體，每種都有特定的電氣特性。

例如，3C-SiC多型體由三個雙原子層密排成立方晶格（3C）結(jié)構(gòu)。其形狀對稱性較高，電子散射較少，這使其成為室溫下低場電子遷移率最高（1000cm2/Vs1）的碳化硅結(jié)構(gòu)。另一方面，6H-SiC（六個雙原子層密排成六邊形晶格）的電氣性質(zhì)可能不那么有趣（電子遷移率為380cm2/Vs），但其對稱性較低，制造起來容易得多。4H-SiC通常介于3C-SiC和6H-SiC之間，因為它在電氣性質(zhì)（其電子遷移率達到947cm2/Vs）和易制性之間實現(xiàn)了一定的平衡。

碳化硅的寬禁帶推動革命發(fā)展

在所有情況下，硅和碳原子在晶格中的排列使得碳化硅成為寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體，因為電子能夠穿過碳化硅晶格。最基本的情況是，原子包含一個原子核和電子：1個硅原子有14個電子，1個碳原子有6個電子。根據(jù)能帶理論，電子有兩個能量狀態(tài)，我們通常用兩個能帶來表示。高能電子是導(dǎo)帶的一部分，低能電子位于價帶中。導(dǎo)帶和價帶之間存在帶隙，我們用電子伏特或eV來表示。帶隙的另一個名稱是禁帶，因為電子不能存在于帶隙中，也就是說電子要么在導(dǎo)帶中，要么在價帶中。

在導(dǎo)體中，由于導(dǎo)帶和價帶重疊，所以不存在帶隙。因此，當(dāng)我們對導(dǎo)體施加電流時，電子將從價帶流向?qū)?，從而使電流以最小阻力通過。與此相反，絕緣體的禁帶大于9ev，這意味著電子在室溫下不會從價帶跳到導(dǎo)帶，從而阻止電流通過。

最后，半導(dǎo)體也有一個帶隙，這意味著理論上在0K溫度下沒有導(dǎo)電性，但是禁帶足夠小，電子在室溫下仍然可以從價帶移動到導(dǎo)帶（只要有足夠的能量將它們推到導(dǎo)帶）。硅半導(dǎo)體的帶隙在1ev和1.5eV之間，而碳化硅的帶隙在2.3 eV和3.3 eV之間波動（取決于多型體），寬帶隙半導(dǎo)體因此而得名。

更低的工作溫度，寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)良特性

正如領(lǐng)導(dǎo)研究人員團隊的Vittorio Giuffrida和Luigi Abbatelli解釋：

“帶隙增加一倍或兩倍（與硅相比）意味著碳化硅器件可以耐受更高的電壓和電場，因為電子需要三倍以上的能量才能到達導(dǎo)帶。因此，碳化硅元件的擊穿電壓要高得多，而導(dǎo)通電阻要低得多?！?/p>

擊穿電壓是使絕緣體變成電導(dǎo)體的最小電壓。根據(jù)我們的研究，如果硅器件的擊穿電壓為1V，類似的6H-SiC型號需要的擊穿電壓為56V，而4H-SiC器件需要的擊穿電壓為46V。在開發(fā)高壓應(yīng)用（如依賴于電動車輛電池的應(yīng)用）時，硅器件的低擊穿電壓并不合適。此外，碳化硅在1200V時的電阻很低（要達到類似的性能，硅片的尺寸需要20倍大），這意味著碳化硅大大降低了高電壓下的開關(guān)損耗，從而大大降低了功率損耗。

因此，碳化硅不僅在相同高壓條件下產(chǎn)生的溫度較低，而且我們的碳化硅器件可以耐受200oC的結(jié)溫，而類似的硅元件只能耐受150oC左右的結(jié)溫。此外，我們的數(shù)據(jù)顯示，在開關(guān)頻率為25kHz時，5 kW升壓變換器中碳化硅MOSFET的總功率損耗為11.1W，而硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的總功率損耗為25.6W；當(dāng)開關(guān)頻率在25 kHz以上時，差距迅速擴大。

牽引逆變器，寬禁帶半導(dǎo)體的變革性應(yīng)用

在高壓設(shè)計中使用寬禁帶半導(dǎo)體意味著工程師現(xiàn)在可以提供更快的開關(guān)性能和更高的功率效率，即可以制造尺寸更小、更容易冷卻的模塊。同樣值得注意的是，在處理較低電壓時，傳統(tǒng)的硅器件仍然具備出色的性能，它們的普遍應(yīng)用意味著其將繼續(xù)在我們車輛的12V和48V系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。然而，當(dāng)電壓達到400V、800 V或1200V時，碳化硅的固有性質(zhì)為新的可能性打開了大門。因此，為了全面合理地看待碳化硅的優(yōu)點，Michael在演講中重點剖析一個流行的用例：牽引逆變器。

在電動汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高壓（通常在400V到800V之間），并為驅(qū)動汽車的電機產(chǎn)生三個交流相位。其核心技術(shù)極大地受益于碳化硅器件，Michael對此詳細解釋道：

“碳化硅能夠減小牽引逆變器的總體尺寸，因為除了MOSFET器件尺寸更小之外，它們還集成了一個非常快速的續(xù)流二極管，而尺寸更大的硅IGBT則需要在PCB上安裝一個外部續(xù)流二極管?？偟膩碚f，碳化硅使?fàn)恳孀兤鞯某叽鐪p小了70%左右，具有滾雪球效應(yīng)。事實上，既然功率半導(dǎo)體元件可以將尺寸縮小80%，冷卻系統(tǒng)和無源元件的尺寸也可以減少這么多。”

碳化硅的固有性質(zhì)使電子器件的性能和效率達到新的水平，確保工程師能夠探索新的應(yīng)用領(lǐng)域。

超級充電汽車，可以預(yù)見的未來碳化硅革命

碳化硅還減小了電動汽車車載充電器和電池管理解決方案的尺寸，使得它們能夠集成到DC-DC變換器和配電裝置中。這種非凡的四合一解決方案已經(jīng)應(yīng)用于如今由商用電池驅(qū)動的電動汽車，并將推動平價電動汽車的普及應(yīng)用。因此，碳化硅已在改變整個行業(yè)，使零排放汽車更接近普通消費者。因此，我們說我們的碳化硅MOSFET和碳化硅二極管正在改變行業(yè)，是因為我們對寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的掌握已經(jīng)使制造商和駕駛?cè)藛T真正從這種轉(zhuǎn)變中受益。