碳化硅在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用挑戰(zhàn)

碳化硅是一種非常高效的材料，具有高功率和高溫特性。

碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體是提高系統(tǒng)效率、支持更高工作溫度和降低電力電子設(shè)計(jì)成本的創(chuàng)新選擇。碳化硅是硅和碳的化合物，是一種具有同素異形變體的半導(dǎo)體材料。電流密度很容易達(dá)到5甚至10 A/mm2，而SiC的放電電壓一般在100 V/μm的范圍內(nèi)，而硅則為10 V/μm。碳化硅的特性使其成為用于生物醫(yī)學(xué)材料、高溫半導(dǎo)體器件、同步加速器光學(xué)元件以及輕質(zhì)、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的理想材料。

碳化硅組件的制造工藝（圖片來(lái)源：GT Advanced Technologies）

由于碳化硅具有高導(dǎo)熱性，它比其他半導(dǎo)體材料散熱更快。因此，碳化硅器件可以在極高的功率水平下運(yùn)行，并且仍然可以消散器件產(chǎn)生的大量多余熱量。

Microchip Technology 分立和電源管理業(yè)務(wù)部戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理奧蘭多·埃斯帕扎 (Orlando Esparza) 表示：“碳化硅的增長(zhǎng)率很高，碳化硅供應(yīng)商要滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的需求將面臨挑戰(zhàn)。“碳化硅功率器件并未商品化，在性能、可靠性和堅(jiān)固性方面存在真正的差異。鑒于來(lái)自不同供應(yīng)商的各種設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制造 [環(huán)境]，最低成本的設(shè)備不太可能滿(mǎn)足關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序的高可靠性要求。設(shè)計(jì)人員需要確保他們?cè)谧约旱墓ぷ髋_(tái)和系統(tǒng)上仔細(xì)評(píng)估設(shè)備性能、可靠性和嚴(yán)格條件下的性能下降?！?/p>

SiC 塊狀晶體：一種新的商業(yè)模式

強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求和對(duì) SiC 產(chǎn)品的持續(xù)趨勢(shì)促使公司優(yōu)化 SiC 生產(chǎn)工藝。徹底改變基板供應(yīng)鏈可以快速響應(yīng)對(duì)高功率解決方案不斷增長(zhǎng)的需求。

從材料到成品（圖片：GT Advanced Technologies）

GT Advanced Technologies 為晶圓制造商提供晶體，使他們能夠迅速擴(kuò)展到基板生產(chǎn)市場(chǎng)。GT 的商業(yè)模式使公司能夠避免與現(xiàn)有企業(yè)和新競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手直接競(jìng)爭(zhēng)，而是讓它更高效、更快速地?cái)U(kuò)展，提供高晶體質(zhì)量并降低成本。

GT Advanced Technologies 總裁兼首席執(zhí)行官 Greg Knight 表示：“我們的商業(yè)模式是，我們銷(xiāo)售晶體本身，即塊狀晶體，其外形尺寸可以隨時(shí)進(jìn)行晶圓加工。” “我們種植晶體，將其研磨到指定的直徑，然后將其切成特定的形狀，這就是我們銷(xiāo)售的產(chǎn)品。我們的客戶(hù)拿下那個(gè) [水晶]，把它放進(jìn)線(xiàn)鋸，然后就走了?！?/p>

“您可以通過(guò)碳化硅快速了解到任何地方都沒(méi)有簡(jiǎn)單的元素，”奈特說(shuō)。“晶體的生長(zhǎng)非常困難。一旦你有了晶體，因?yàn)樗且环N非常堅(jiān)硬、易碎的單晶材料，沒(méi)有什么是容易的。我們專(zhuān)注于晶體生長(zhǎng)，我認(rèn)為這是目前材料價(jià)值鏈中最困難的一步。之所以困難，是因?yàn)檫@是一個(gè)完全盲目的過(guò)程；你無(wú)法看到或直接衡量你在做什么。您必須對(duì)盲流程進(jìn)行非常、非常穩(wěn)健的流程控制?！?/p>

碳化硅和封裝

SiC 提供的高性能實(shí)現(xiàn)了更小、更熱效率的封裝，盡管它們必須采用對(duì)稱(chēng)布局設(shè)計(jì)以最小化電路電感。碳化硅不是天然礦物。碳化硅摻雜是一個(gè)困難的過(guò)程，生產(chǎn)具有更少缺陷的更大碳化硅晶片的挑戰(zhàn)使得制造和加工成本居高不下。因此，從一開(kāi)始就提供良好的開(kāi)發(fā)流程至關(guān)重要。

“碳化硅并非沒(méi)有缺陷；實(shí)際上，與硅相比，它是一種非常有缺陷的材料，”奈特說(shuō)。“作為材料供應(yīng)商，我們非常有責(zé)任提高質(zhì)量并繼續(xù)降低這些缺陷水平?！?/p>

他補(bǔ)充說(shuō)，GT Advanced Technologies “在很短的時(shí)間內(nèi)在質(zhì)量方面取得了巨大進(jìn)步”?！按蠹s一年前，我們開(kāi)始努力大幅提高我們的水晶質(zhì)量，并完成了這一步驟，現(xiàn)在提供我們認(rèn)為是市場(chǎng)上最高質(zhì)量的產(chǎn)品。我們需要不斷提高水晶的品質(zhì)；這是一項(xiàng)持續(xù)的努力，永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束?！?/p>

Knight 說(shuō)，高產(chǎn)量也很重要。產(chǎn)量越高，成本越低。并且“創(chuàng)新不止于設(shè)備；圍繞封裝和熱管理存在大量挑戰(zhàn)。整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)必須繼續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新?！?/p>

特斯拉等公司開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的電池、電機(jī)和控制技術(shù)，使高性能電動(dòng)汽車(chē) (EV) 一次充電可行駛 300 英里或更長(zhǎng)。提高電動(dòng)汽車(chē)效率的一種方法是在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中使用更高效的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，并增加電動(dòng)輔助車(chē)輛系統(tǒng)的數(shù)量。然而，傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的電機(jī)控制電子設(shè)備被視為安全關(guān)鍵功能，因此設(shè)計(jì)人員必須使用經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的技術(shù)。

SiC 的低開(kāi)關(guān)損耗、耐高溫能力和高開(kāi)關(guān)頻率使其成為滿(mǎn)足最佳混合 EV/EV (xEV) 要求的理想選擇。“隨著越來(lái)越多的車(chē)隊(duì)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)，碳化硅的增長(zhǎng)將繼續(xù)來(lái)自汽車(chē)等行業(yè)，并且您會(huì)看到 MOSFET 超過(guò) IGBT 的增長(zhǎng)。今天的大用戶(hù)是特斯拉，”奈特說(shuō)。

為了演示 SiC 功率 MOSFET 和二極管在半橋配置中的連續(xù)運(yùn)行，Littelfuse 構(gòu)建了一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器評(píng)估平臺(tái) (GDEV)。該平臺(tái)提供了一組明確定義的測(cè)試條件和快速連接功能，以評(píng)估和比較不同驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)與不同驅(qū)動(dòng)器 IC 的性能。它還具有完整的熱解決方案，允許功率設(shè)備在高電壓和高電流下連續(xù)運(yùn)行并提供實(shí)際功率。

柵極驅(qū)動(dòng)器評(píng)估平臺(tái)（圖片來(lái)源：Littelfuse）

碳化硅技術(shù)正在大功率項(xiàng)目中得到應(yīng)用，例如電機(jī)、電力驅(qū)動(dòng)器和逆變器或變頻器，例如動(dòng)力系統(tǒng)逆變器和車(chē)載充電器 (OBC)。

Microchip Technology 的 Esparza 表示：“一些電機(jī)應(yīng)用在較低頻率下開(kāi)關(guān)并沒(méi)有充分利用碳化硅的快速開(kāi)關(guān)能力?！半妱?dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的目標(biāo)是碳化硅，以從更高的功率密度、更高的結(jié)溫和更小的整體設(shè)計(jì)中受益?！?/p>

Microchip 的 MSCSICPFC/REF5 是一款三相維也納功率因數(shù)校正 (PFC) 參考設(shè)計(jì)，適用于混合動(dòng)力 EV/EV 充電器和高功率開(kāi)關(guān)模式電源。該參考設(shè)計(jì)在 20 kW 輸出功率下實(shí)現(xiàn)了 98.5% 的效率，并且能夠以 30 kW 的功率運(yùn)行。

Esparza 說(shuō)：“行業(yè)需要將他們的思維從基于硅的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟杓夹g(shù)?！靶枰獙?duì)整個(gè)拓?fù)?、系統(tǒng)和材料清單進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)方法和評(píng)估，以證明轉(zhuǎn)向碳化硅的合理性。所有行業(yè)都可以從 SiC 中受益，我們看到了各個(gè)行業(yè)的興趣和應(yīng)用：醫(yī)療、工業(yè)、汽車(chē)、計(jì)算、航空、國(guó)防、太空等?！?/p>

三相 Vienna 功率因數(shù)校正參考設(shè)計(jì)（圖片來(lái)源：Microchip）

其他寬帶隙材料

在某些應(yīng)用中，碳化硅并不是唯一一種被視為硅替代品的寬帶隙材料。氮化鎵 (GaN) 組件也正在改變電力電子領(lǐng)域，從大約 100 W 的電源開(kāi)始。 GaN 技術(shù)也正在進(jìn)入 RF 放大器，這要?dú)w功于使其適用于轉(zhuǎn)換和電源系統(tǒng)的相同特性。

然而，唯一的寬帶隙 IV 族半導(dǎo)體材料是 SiC 和金剛石?！般@石顯然是一種寬帶隙材料，具有一些驚人的特性，”奈特說(shuō)?！澳壳斑€沒(méi)有培育大型單晶金剛石的能力。它是在非常非常小的晶體中以非常非常低的產(chǎn)量完成的。但如果我想到一種最終會(huì)取代 SiC 的材料，那可能就是金剛石。這是一個(gè)全新的技術(shù)挑戰(zhàn)水平?！?/p>

我們正在經(jīng)歷社會(huì)如何使用電力的革命。與硅等傳統(tǒng)材料相比，寬帶隙材料能夠提高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的效率。SiC 與其 III-V 族對(duì)應(yīng)物 GaN 一起提供了能源方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為電力電子開(kāi)發(fā)的關(guān)注焦點(diǎn)。