SiC半導(dǎo)體如何成為比舊有技術(shù)更具成本競爭力的解決方案

成本效益關(guān)系非常復(fù)雜而且變化無常，電力工程師很難將其量化。本文介紹了 SiC 半導(dǎo)體如何成為基于持續(xù)改進(jìn)并比舊有技術(shù)更具成本競爭力的解決方案。

UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動(dòng)汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場(chǎng)。

對(duì)環(huán)境效率和能源效率的追求推動(dòng)了有關(guān) SiC-FET 的設(shè)計(jì)決策。

摘要

隨著電動(dòng)汽車、可再生能源和 5G 等領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐不斷加快，為滿足消費(fèi)者和行業(yè)的需求，越來越多的工程師也在尋求全新解決方案，并對(duì)技術(shù)提出了更高的要求。SiC 半導(dǎo)體是可以滿足這些需求的優(yōu)選方案，其本身也在不斷改進(jìn)，能提供比舊技術(shù)更具成本競爭力的性能。

作為一種相對(duì)較新的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，SiC 在首次商業(yè)化時(shí)的售價(jià)必然是高昂的，盡管大多數(shù)工程師明知 SiC 比硅基產(chǎn)品（如 IGBT 和 Si-MOSFET）更具有潛在優(yōu)勢(shì)，但仍會(huì)將其置于 “可有可無” 清單的末端。然而，隨著 SiC 價(jià)格的不斷下跌，及其性能的不斷改進(jìn)，SiC 的可靠性得到了證明，在工程師心中的地位也不斷提升，如今已成為現(xiàn)有舊技術(shù)部件的替代品和新設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。

SiC 的使用取決于具體應(yīng)用。太陽能和電動(dòng)汽車工程師率先采用了該技術(shù)，因?yàn)樘岣咝室恢笔瞧渌陬I(lǐng)域高度優(yōu)先的考慮因素。但隨著晶圓成本的降低、性能的提高、節(jié)能的價(jià)值以及相關(guān)組件成本的降低，更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的工程師實(shí)在是沒有理由不做出點(diǎn)改變了。

圖 1：SiC 系統(tǒng)成本低于 IGBT 解決方案

SiC 的固有優(yōu)勢(shì)不少，比如具有較高的臨界擊穿電壓、較高的工作溫度、出色的導(dǎo)通電阻，還兼具晶粒面積小巧、開關(guān)損耗品質(zhì)因數(shù)較佳、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。使用常閉共源共柵的 UnitedSiC “第 3 代” SiC-FET 最新器件進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。對(duì)于 1200V 和 650V 器件，我們 UF 系列的最新產(chǎn)品具有同類最低的導(dǎo)通電阻，分別小于 9 毫歐和 7 毫歐。該系列器件具有低損耗的體二極管效應(yīng)，在過電壓和短路情況下能保持固有的穩(wěn)健性，且與 Si-MOSFET 或 IGBT 一樣易于驅(qū)動(dòng)。事實(shí)上，使用 TO-247 封裝后，這些器件可以作為多數(shù) Si-MOSFET 或 IGBT 部件的簡易替換器件，為您即時(shí)實(shí)現(xiàn)性能提升。針對(duì)新設(shè)計(jì)，UnitedSiC 還推出了低電感、熱性能增強(qiáng)型 DFN8x8 封裝，該封裝利用了 SiC-FET 的高頻功能。

圖 2：SiC FET 柵極驅(qū)動(dòng)兼容現(xiàn)有技術(shù)，具有出色的柵極保護(hù)功能

“遠(yuǎn)見者” 在價(jià)值方程式中加入了用戶和環(huán)境效益，且出于系統(tǒng)節(jié)能的考慮，他們?cè)絹碓絻A向于使用 SiC-FET 進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們能做的事情還有很多。如果我們圍繞 SiC-FET 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就可以在避免顯著降低效率的情況下，提高開關(guān)頻率，甚至可以消除分立式整流二極管和緩沖器網(wǎng)絡(luò)等組件。

此外其他相關(guān)組件（如散熱器、電感/變壓器和電容）的尺寸、重量和成本也會(huì)隨之減少。在極端情況下，甚至可以去除本身效率低下的整個(gè)冷卻系統(tǒng)，從而可以節(jié)省更多成本。尤其是在電動(dòng)汽車牽引逆變器應(yīng)用中，效率的提升更是一個(gè)良性循環(huán)。因?yàn)榛?SiC 的逆變器使用了更輕巧的組件，所以電池充電后的續(xù)航時(shí)間變得更長了，這也進(jìn)一步延長了車輛的行駛里程。

SiC 技術(shù)仍在不斷發(fā)展，并有望進(jìn)一步提升性能。在下一代產(chǎn)品中，導(dǎo)通電阻將隨著開關(guān)損耗的減少進(jìn)一步降低，額定電壓也將提高，晶圓尺寸將進(jìn)一步縮小，且產(chǎn)量將得以提高，從而實(shí)現(xiàn)成本降低。未來也將會(huì)出現(xiàn)更多的變型版本，并提供更廣泛的封裝選項(xiàng)，以適用于更高電壓和功率水平的應(yīng)用。

Oscar Wilde 還說過：“成功是一門科學(xué)；如果具備相應(yīng)的條件，就可以獲得相應(yīng)的結(jié)果”。目前的條件非常適合 SiC，而且只會(huì)越來越好。在計(jì)算價(jià)值時(shí)，不使用 UnitedSiC 產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新的成本可能會(huì)讓您大吃一驚。

審核編輯：劉清