碳化硅瞄準(zhǔn)新型電力電子產(chǎn)業(yè)

碳化硅技術(shù)有望為更智能的電源設(shè)計(jì)提供更高的效率、更小的外形尺寸、更低的成本和更低的冷卻要求。

寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體技術(shù)在電力電子行業(yè)中的廣泛采用持續(xù)增長(zhǎng)。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體材料顯示出卓越的性能，與傳統(tǒng)硅技術(shù)相比，允許功率器件在高壓下運(yùn)行，尤其是在高溫和開關(guān)頻率下。電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員正在努力充分利用 GaN 和 SiC 器件。

碳化硅正被用于多種應(yīng)用，尤其是電動(dòng)汽車，以應(yīng)對(duì)開發(fā)高效和大功率設(shè)備時(shí)面臨的能源和成本挑戰(zhàn)。硅已被用作大多數(shù)電子應(yīng)用的關(guān)鍵半導(dǎo)體材料，但現(xiàn)在，與 SiC 相比，它被認(rèn)為效率低下。

碳化硅由純硅和碳組成，與硅相比具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：更高的臨界雪崩擊穿場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率和更寬的帶隙。碳化硅具有 3 電子伏特 (eV) 的寬帶隙，可以承受比硅大 8 倍以上的電壓梯度而不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿。更寬的帶隙導(dǎo)致高溫下的漏電流更低，從而導(dǎo)致良好的效率。較高的熱導(dǎo)率對(duì)應(yīng)于較高的電流密度。?

SiC 襯底的更高電場(chǎng)強(qiáng)度允許使用更薄的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。與外延硅層相比，這可以實(shí)現(xiàn)十分之一的厚度。此外，SiC 的摻雜濃度比其硅對(duì)應(yīng)物高 2 倍。因此，元件的表面電阻降低，傳導(dǎo)損耗顯著降低。

SiC 技術(shù)現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為是硅的可靠替代品。許多功率模塊和功率逆變器制造商已經(jīng)為未來(lái)產(chǎn)品的路線圖奠定了基礎(chǔ)。這種 WBG 技術(shù)通過(guò)大幅降低特定負(fù)載下的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗，同時(shí)還提供改進(jìn)的熱管理，提供了前所未有的能源效率。

在電力電子系統(tǒng)中，熱設(shè)計(jì)在確保高能量密度和縮小電路尺寸方面起著至關(guān)重要的作用。在這些應(yīng)用中，碳化硅是一種理想的半導(dǎo)體材料，因?yàn)槠錈釋?dǎo)率幾乎是硅半導(dǎo)體的 3 倍。

碳化硅技術(shù)適用于電機(jī)、電力驅(qū)動(dòng)和逆變器等更高功率的項(xiàng)目。電力驅(qū)動(dòng)制造商正在開發(fā)新的驅(qū)動(dòng)電路以滿足轉(zhuǎn)換器對(duì)更高開關(guān)頻率的需求，并通過(guò)采用更復(fù)雜的拓?fù)鋪?lái)減少電磁干擾 (EMI)。

SiC 器件需要的外部組件更少，系統(tǒng)布局更可靠，制造商的成本更低。SiC 具有更高的效率、更小的外形尺寸和更輕的重量，可實(shí)現(xiàn)具有更低冷卻要求的智能設(shè)計(jì)。

應(yīng)用

最近，幾家汽車制造商開發(fā)了新的推進(jìn)概念，使他們能夠?qū)⒌谝慌旌蟿?dòng)力和電動(dòng)汽車推向市場(chǎng)。在這些車輛中，有新的組件和系統(tǒng)，例如為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的變頻器（高達(dá) 300 kW）、3.6 W 至 22 kW 的車載電池充電器、3.6 kW 至 22 kW 的感應(yīng)充電器（無(wú)線充電）、高達(dá) 5 kW 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以及用于空調(diào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向等輔助負(fù)載的逆變器。

新型高壓電池是采用混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的主要障礙之一。使用 SiC，汽車制造商可以縮小電池的尺寸，同時(shí)降低電動(dòng)汽車的總成本。

此外，得益于 SiC 的熱性能，制造商還可以降低冷卻動(dòng)力總成組件的成本。這對(duì)電動(dòng)汽車的重量和成本具有積極影響。

車載充電器包含各種功率轉(zhuǎn)換元件，例如二極管和 MOSFET。目標(biāo)是通過(guò)使用小型無(wú)源元件使電力電子設(shè)備小型化，從而將它們?nèi)考稍谝黄?。如果可以在同一電路中以高開關(guān)頻率控制所使用的半導(dǎo)體，則這是可能的。然而，硅的熱特性限制了高開關(guān)頻率解決方案。另一方面，碳化硅 MOSFET 為此類應(yīng)用提供了理想的解決方案（圖 1）。

圖 1：3 kW EV 車載充電器（圖片：GaN Systems Inc.）

長(zhǎng)期可靠性已經(jīng)是 SiC MOSFET 的標(biāo)志。功率半導(dǎo)體制造商的下一步是開發(fā)多芯片功率模塊或混合模塊，將傳統(tǒng)的硅晶體管和 SiC 二極管集成在同一物理設(shè)備上。通過(guò)提供高擊穿電壓，這些模塊可以在更高的溫度下運(yùn)行。它們保證了高效運(yùn)行和設(shè)備的進(jìn)一步小型化。

以目前的市場(chǎng)價(jià)格，碳化硅 MOSFET 比硅 IGBT 提供系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，我們預(yù)計(jì)碳化硅 MOSFET 的價(jià)格將繼續(xù)下降，因?yàn)?150 毫米晶圓制造被廣泛采用。一些制造商已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向 200 毫米（8 英寸）晶圓。隨著晶圓尺寸的增加，每個(gè)芯片的成本會(huì)降低，但良率也會(huì)下降。因此，必須不斷改進(jìn)流程（圖 2）。

圖 2：碳化硅產(chǎn)品的目標(biāo)應(yīng)用是提高效率、可靠性和熱管理。（圖片：Littelfuse Inc.）

最大的挑戰(zhàn)是由于較高的制造工藝成本和缺乏批量生產(chǎn)而廣泛采用 SiC 器件。SiC 器件的大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，需要強(qiáng)大且經(jīng)過(guò)深思熟慮的基礎(chǔ)設(shè)施和制造工藝。這包括晶圓測(cè)試，這需要測(cè)試在更高電流和電壓范圍內(nèi)工作的較小設(shè)備。

一旦這些挑戰(zhàn)得到解決，OEM 設(shè)計(jì)人員將加大對(duì) SiC 器件的采用，以利用該技術(shù)的電氣特性，從而顯著降低系統(tǒng)成本并提高整體效率。帶有車載充電裝置和電源逆變器的電動(dòng)汽車是 SiC 半導(dǎo)體技術(shù)的主要候選者。

審核編輯 黃昊宇