碳化硅瞄準新型電力電子產業

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

寬帶隙 (WBG) 半導體技術在電力電子行業中的廣泛采用持續增長。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 半導體材料顯示出卓越的性能，與傳統硅技術相比，允許功率器件在高壓下運行，尤其是在高溫和開關頻率下。電力電子系統的設計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用，尤其是電動汽車，以應對開發高效和大功率設備時面臨的能源和成本挑戰。硅已被用作大多數電子應用的關鍵半導體材料，但現在，與 SiC 相比，它被認為效率低下。

碳化硅由純硅和碳組成，與硅相比具有三個主要優勢：更高的臨界雪崩擊穿場、更高的熱導率和更寬的帶隙。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發生雪崩擊穿。更寬的帶隙導致高溫下的漏電流更低，從而導致良好的效率。較高的熱導率對應于較高的電流密度。?

SiC 襯底的更高電場強度允許使用更薄的基礎結構。與外延硅層相比，這可以實現十分之一的厚度。此外，SiC 的摻雜濃度比其硅對應物高 2 倍。因此，元件的表面電阻降低，傳導損耗顯著降低。

SiC 技術現在被廣泛認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為未來產品的路線圖奠定了基礎。這種 WBG 技術通過大幅降低特定負載下的開關和傳導損耗，同時還提供改進的熱管理，提供了前所未有的能源效率。

在電力電子系統中，熱設計在確保高能量密度和縮小電路尺寸方面起著至關重要的作用。在這些應用中，碳化硅是一種理想的半導體材料，因為其熱導率幾乎是硅半導體的 3 倍。

碳化硅技術適用于電機、電力驅動和逆變器等更高功率的項目。電力驅動制造商正在開發新的驅動電路以滿足轉換器對更高開關頻率的需求，并通過采用更復雜的拓撲來減少電磁干擾 (EMI)。

SiC 器件需要的外部組件更少，系統布局更可靠，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，可實現具有更低冷卻要求的智能設計。

應用

最近，幾家汽車制造商開發了新的推進概念，使他們能夠將第一批混合動力和電動汽車推向市場。在這些車輛中，有新的組件和系統，例如為發動機提供動力的變頻器（高達 300 kW）、3.6 W 至 22 kW 的車載電池充電器、3.6 kW 至 22 kW 的感應充電器（無線充電）、高達 5 kW 的 DC/DC 轉換器，以及用于空調和動力轉向等輔助負載的逆變器。

新型高壓電池是采用混合動力和電動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，同時降低電動汽車的總成本。

此外，得益于 SiC 的熱性能，制造商還可以降低冷卻動力總成組件的成本。這對電動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換元件，例如二極管和 MOSFET。目標是通過使用小型無源元件使電力電子設備小型化，從而將它們全部集成在一起。如果可以在同一電路中以高開關頻率控制所使用的半導體，則這是可能的。然而，硅的熱特性限制了高開關頻率解決方案。另一方面，碳化硅 MOSFET 為此類應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.）

長期可靠性已經是 SiC MOSFET 的標志。功率半導體制造商的下一步是開發多芯片功率模塊或混合模塊，將傳統的硅晶體管和 SiC 二極管集成在同一物理設備上。通過提供高擊穿電壓，這些模塊可以在更高的溫度下運行。它們保證了高效運行和設備的進一步小型化。

以目前的市場價格，碳化硅 MOSFET 比硅 IGBT 提供系統級優勢，我們預計碳化硅 MOSFET 的價格將繼續下降，因為 150 毫米晶圓制造被廣泛采用。一些制造商已經開始轉向 200 毫米（8 英寸）晶圓。隨著晶圓尺寸的增加，每個芯片的成本會降低，但良率也會下降。因此，必須不斷改進流程（圖 2）。

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

最大的挑戰是由于較高的制造工藝成本和缺乏批量生產而廣泛采用 SiC 器件。SiC 器件的大規模生產帶來了挑戰，需要強大且經過深思熟慮的基礎設施和制造工藝。這包括晶圓測試，這需要測試在更高電流和電壓范圍內工作的較小設備。

一旦這些挑戰得到解決，OEM 設計人員將加大對 SiC 器件的采用，以利用該技術的電氣特性，從而顯著降低系統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汽車是 SiC 半導體技術的主要候選者。

審核編輯 黃昊宇