GeneSiC的起源和碳化硅的未来

SiC 技术的先驱引领系统效率，高度关注可靠性和耐用性。近 20 年来， GeneSiC 开创了高性能， 坚固， 和可靠的碳化硅 （SiC） 用于汽车、工业和国防应用的功率器件.作为首批碳化硅器件公司之一， GeneSiC 为政府机构开发了尖端的碳化硅技术ⁱ， 重点关注性能和稳健性， 并发布了几代碳化硅二极管和 MOSFET 技术，额定值高达 6.5 kV 在各种封装中以及裸片.

2022年， 纳微半导体收购了GeneSiC半导体， 创建了业界唯一一家专注于SiC和GaN的纯下一代功率半导体公司.Ranbir Singh博士， 创立了 GeneSiC 2004 现在是纳微的 SiC 执行副总裁， 在 SiC 功率技术方面拥有丰富的历史， 从他在北卡罗来纳大学 （NCSU） 对第一个 SiC 功率器件的研究开始.2022 年，为了纪念这项开创性的工作，Singh博士入选了 NCSU 电气和计算机工程 （ECE） 校友名人堂。

凭借业界最宽的电压范围 – 从 650 V 到 6.5 kV – GeneSiC MOSFET 和肖特基 MPS 二极管一直处于 SiC 技术的前沿.该公司已参与 60 多个政府机构项目，推动了 SiC 性能、耐用性和可靠性的界限。其中包括为美国能源部（DOE）开发用于储能的6.5 kV SiC晶闸管，并网逆变器;用于国防应用的 15 kV MOSFET 和 PiN 二极管;用于 NASA 金星探测任务的 500°C 单片集成 SiC 超结晶体管 JBS 二极管 （MIDSJT），以及用于 1200 V SiC DMOSFET 和 6.5 kV SiC 晶闸管的单片集成、抗辐射 SiC 栅极驱动器，用于美国海军。

碳化硅市场

碳化硅（SiC）市场在过去几年中迅速扩大，这要归功于工程师对该技术的日益接受以及对如何最大限度地发挥使用宽带隙功率器件的优势的了解。Yole Développement预测，到2027年，SiC器件市场将从202年的10亿美元增长到60亿美元以上 第二 .这一增长的很大一部分将来自汽车行业、太阳能存储系统和工业应用的解决方案。

2022年，美国电动汽车销量超过乘用车市场总量的5% ^第三^ ，加入其他 18 个已达到大规模采用门槛的国家/地区。然而，对于希望过渡到电动汽车的消费者来说，仍然有两个主要问题——里程焦虑和充电时间。汽油和柴油汽车只需不到五分钟即可充满油，而对于第一代充电，电动汽车至少需要 25 分钟才能充电至 80%。

为了解决这个问题，电动汽车制造商正在从 400 V 电池过渡到 800 V 电池，与路边增压器相匹配，峰值充电功率为 350 kW。现在，像Genesis GV70 SUV这样的电动汽车使用3级，800 V 350 kW直流充电器，只需18分钟即可获得10-80%的电力。除了更高的功率输出外，电压的增加也降低了I^2^R传输功率损耗，降低散热，降低电缆重量和成本。为了解决更高的电压问题，电缆和电机绕组都需要增加绝缘性，并且逆变器系统的设计必须匹配。由于在更高电压下提高了效率和性能改进，1,200 V SiC MOSFET 非常适合满足这一要求。

使用电动汽车为您的房屋供电

电动汽车的平均电池尺寸为 40 kWhr ^四^ .是普通住宅电池储能系统（BESS）的四倍 ^v^ ，这意味着电动汽车可以很容易地提供典型房屋一整天所需的能量。提供这种替代的“车辆到家庭”（V2H）方法将成为行业的颠覆性驱动力，并改变我们未来使用能源的方式。从电动汽车获取电力将节省电力成本并减少电网的压力需求，而在需求和成本较低时为电动汽车充电可降低家庭账单并支持更好的电网稳定性。更重要的是，当需求很高时，电动汽车还可以向电网（V2G）提供能量。这有可能改变公用电网，使其更加智能和动态，电力在宏观尺度上传输和储存。

考虑到这一点，电动汽车制造商现在开始推出双向车载充电器 （OBC），为 V2H、V2G 和车辆到负载 （V2L） 提供双向供电。日产聆风、福特 F-150 闪电、现代 Ioniq 5、起亚 EV6 和三菱欧蓝德 PHEV 今天都提供此功能。

这种下一代集成和整体电源解决方案越来越依赖于SiC功率器件。碳化硅 MOSFET 例如 GeneSiC 系列， 可以提供这些应用所需的高温、高速性能， 而 GeneSiC 合并引脚肖特基 （MPS） 碳化硅二极管必须以低泄漏承受过大的浪涌电流，同时提供低正向压降和快速开关特性.

快速充电站

GeneSiC满足汽车行业需求的历史还包括为快速充电站开发解决方案，这对于电动汽车的快速采用至关重要.以SK Signet最近设计的350 kW额定快速充电器为例，该充电器可转换277 V。交流市电至精心控制的 200- 950 V直流适用于 400 和 800 V 额定电池供电的电动汽车。每个快速充电器使用 168 x 1,700 输入功率因数校正 （PFC） 和输出整流器级中的 V 额定 GeneSiC 二极管提供高效， 稳健的操作.高性能 GeneSiC 组件的运行温度高达 12 由于极低的阈值电压（V 千 ）特性，可最大限度地节省能源并支持更长的使用寿命运行。

快速充电也是工业领域的关键要求， 再次， 正在部署 GeneSiC 技术以解决特定应用的挑战.埃克西德技术 ^六^ ， 例如， 采用新的， 领先的 GeneSiC 功率半导体，以确保可靠性， 安全性， 易用性， 和最佳充电在其下一代工业材料处理设备的高频快速充电器.

Exide 的 2100 系列快速充电器可将 220 V 交流电源转换为 24 至 80 V 之间的电池级电压，适用于自动导引车 （AGV） 和叉车和托盘搬运等载人物料搬运设备。每个 7 kW 模块使用 GeneSiC 750 V MOSFET 和具有频率优化架构的 MPS 肖特基二极管.同一平台可以升级到 10 kW，四个模块并联提供 40 kW 的可靠快速充电功率。

太阳能

SiC的另一个重要增长动力是太阳能转换、风能、热泵和储能等领域的能源管理。

近年来，由于天气条件和气候变化，我们看到停电次数增加。2021 年，全球发生了 3.5 亿次停电，在美国，报告的严重停电中约有 83% 归因于天气相关事件 ^v^ .由于电网的稳定性受到质疑，客户正在他们的家庭和企业中安装太阳能和BESS技术。事实上，美国与太阳能电池板一起出售的电池存储能力的“附加率”在短短18个月内从9.5%增加到17.1%。拥有能源独立和能够离网生活不仅提供了安全性，而且还允许客户优化和管理能源存储和使用，以降低电费——在公用事业成本不断增加的市场中，这是一个越来越重要的问题。

GeneSiC 已经在太阳能市场建立了几年， 其技术可以在各种逆变器中找到， 包括 KATEK 的 Steca coolcept fleX 系列 ^七^ ，它将一串太阳能电池板的直流电转换为 4.6 kW 的交流电，供家庭使用、返回电网或存储在本地以供以后使用。

每个逆变器使用 16 个 GeneSiC 1200 V， 75 mΩ 额定碳化硅 MOSFET 提供具有双向升压转换器和用于交流电压输出的 H4 拓扑的两电平转换器.除了提供该应用所需的性能和可靠性外，SiC技术的开关频率增加还可以减小无源元件的尺寸和重量，与传统的硅基逆变器相比，这优化了KATEK单元的尺寸和重量。

储能

美国家庭平均每天使用29千瓦时 ^八^ ，这种需求通常需要 20-25 块太阳能电池板。假设屋顶每天接受四个小时的阳光照射，每个面板提供 350 W 的功率，那么将需要 22 块面板。问题在于，大约30%的用电量发生在太阳能生产时间内。正午的日光最强，提供的能量也最大，但大多数房主都在工作，无法使用这种免费能源。

将来自太阳的能量储存起来以供以后使用意味着当房主在晚上回家时 - 这是电网的电力成本达到峰值的时候 - 他们可以切换到电池系统。这减少了水电费并优化了能源的分配方式。

有几种方法可以在BESS中存储能量，包括太阳能，电网连接，以及如前所述，来自电动汽车的能量。

BESS由电池模块，电池管理系统（BMS），能量管理系统（EMS）和电源转换系统（PCS）组成。典型的系统范围在 10-20 kW 之间，这意味着为家庭供电 8 到 16 小时。宽带隙器件，如SiC MOSFET和GaN功率IC，用于这些系统的逆变器和降压-升压级，以转换AC-DC（从电网到电池），DC-DC（从太阳能到电池）和DC-AC（从电池到电网或电池到家庭）。

碳化硅技术更新 – MOSFET

必须提供更高的性能和更高效的能源转换和控制，同时通过世界电气化和减少一氧化碳来支持环境可持续性2排放正在推动面向大众市场应用的SiC解决方案的持续开发。以， 以， GeneSiC 沟槽辅助平面栅极 MOSFET 技术.

虽然与硅相比，SiC MOSFET由于其宽带隙特性和高电场强度而具有优异的导电性和开关性能，但使用平面或沟槽技术的传统设计不得不在可制造性、性能和/或可靠性之间做出妥协。专利 GeneSiC 沟槽辅助平面栅极设计， 然而， 是一种不折不扣的下一代解决方案，支持高产量制造， 快速和凉爽的操作， 以及延长的长寿命可靠性.结合业界最低的 R DS（ON） 在高温和高速下的最低能量损失，这些器件可实现前所未有的行业领先性能、稳健性和质量水平。

R的问题 DS（ON） 温度尤其重要。在实际应用中，系统环境温度可能高达80°C，器件电源循环会进一步提高结温。GeneSiC MOSFET 在设计时考虑到了这一点，并支持业界最低的 R DS（ON） 温度系数。在数据表中，R DS（ON） 额定温度通常为 25 °C，但根据温度系数，在高温下会显著升高。在测试中， 一个 GeneSiC 1200 V， 40 mΩ 碳化硅 MOSFET 在 D2PAK 中与可比的领先碳化硅 MOSFET 技术进行了比较， 并实现了等效的栅极驱动和条件以揭示真正的比较.结果表明， GeneSiC MOSFET 在 25 °C 较低的外壳温度下工作， 这导致显着降低损耗和更高的系统效率.从可靠性的角度来看，25°C的冷却器运行意味着设备寿命延长了三倍。

评估 SiC MOSFET 的其他重要“品质因数”是电阻和面积以及电阻和栅极电荷。

最新的 Yole SystemPlus 碳化硅晶体管 2022 年报告比较了 12 种用于 RDS（ON）*面积和 RDS（ON）*QG 的碳化硅 MOSFET 技术， 结果表明，GeneSiC 的新型 MOSFET 技术优于所有竞争对手， 包括沟槽栅极结构， 同时保持优势或平面栅极坚固性， 短路能力和更简单的制造工艺.

* 图3. 工作温度比较。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

* 图4. GeneSiC 开创性的 MOSFET 技术引领行业，并通过第三方评估证明.图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

在 2019， GeneSiC 与桑迪亚国家实验室和美国能源部合作，创建了一个最先进的， 领先的单片集成 SiC 双植入金属氧化物半导体 （DMOSFET） 器件结构与合并的 PiN 肖特基 （MPS） 二极管.该产品后来在100个研发奖中获得了绿色科技特别认可。在 MOSFET 中集成 JBS 二极管可提供更高效的双向性能、与温度无关的开关、低开关和传导损耗、更低的冷却要求以及卓越的长期可靠性。典型应用是“中压”电源转换系统，例如牵引、脉冲电源和智能电网基础设施。

MOSFET 和二极管的单片集成可在续流二极管工作期间实现低导通损耗，而无需外部连接的肖特基二极管。此外，MOSFET结构的内置P阱/N漂移体二极管被旁路，这可能导致MOSFET的N-漂移层内存在的基平面位错（BPD）故障。

* 图5. 具有单片集成 MPS 二极管的 GeneSiC MOSFET 提高了第 3 象限操作的效率并显着提高了可靠性.图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

* 图6. 与分立式 SiC MOSFET 相比，带 MPS 二极管的 3.3 kV 单片 MOSFET 在第三象限工作时具有显著更低的压降。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

* 图7. 使用集成二极管的 3.3kV SiC MOSFET 可减少串联器件数量，提高系统效率和可靠性，同时降低重量、尺寸和冷却要求。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

通过考虑中压（MV）电网到电池储能系统的实施，可以看出该技术提供的好处，其中MV电网通过隔离拓扑连接到BESS，例如双有源桥（DAB）和有源前端转换器（AFEC）。与两电平拓扑相比，三电平中性点钳位（NPC）逆变器降低了滤波器要求，降低了SiC MOSFET两端的电压应力。

根据电网电压，可以串联 SiC 3.3 kV MOSFET 二极管器件（图 7），而低压侧由 1200 V SiC 器件支持。中频变压器的开关频率范围为 10 - 20 kHz。可根据功率要求使用单相或三相拓扑。使用单个 3.3 kV SiC MOSFET 二极管替代串联的多个 1.2 - 1.7 kV MOSFET 或 IGBT 具有显著优势，包括更容易的栅极驱动、更低的寄生电感、更低的传导损耗和更高的系统效率。除了系统尺寸和重量外，冷却要求也可以大幅降低。

碳化硅技术更新 – 二极管和模块

在PCIM 2023上，纳微宣布了5^千^采用低内置电压偏置技术的合并引脚肖特基（MPS）二极管，提供卓越的FOM和最高的鲁棒性，可在所有负载情况下为SMPS PFC应用提供行业领先的效率。MPS 二极管的新颖设计结合了 PiN 和肖特基二极管结构的最佳特性，产生最低的正向压降 （V F ）、高浪涌电流能力 （I 密克罗尼西亚联邦 ），并将与温度无关的开关损耗降至最低。专有的薄芯片技术进一步降低了VF并改善了冷却器操作的散热。

此外，Gen 5 MPS 二极管专为需要高浪涌电流和雪崩能力的应用而设计，具有一流的鲁棒性和耐用性，这对于故障安全设计至关重要。所有 GeneSiC 设备都经过 100% 雪崩 （UIL） 生产测试，以确保在过压条件下最高水平的耐用性.

这些器件是连续电流模式 （CCM） PFC 电路的理想选择，因为它们具有出色的品质因数，包括低 VF1.3 V 和最小容性电荷 （Q C ).此外，零反向恢复电荷改善了PFC MOSFET的导通性能。结果是一个更凉爽、更可靠的系统。

* 图8. GeneSiC Gen 5 650V 二极管具有新颖的结构，可实现低内置电压偏置，同时提供出色的品质因数 （QC.VF）。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

* 图9. 在 3 kW 交错式升压 PFC， 由于卓越的 FOM，GeneSiC 二极管在轻负载和满负载下提供最高的系统效率.图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

SiCPAK 碳化硅场效应管模块

纳微还宣布推出其模块封装产品组合，从SiCPak模块开始。 ^九^ .这些行业标准的压接模块在设计时将性能、可靠性和坚固性放在首位。G3 1200V MOSFET 的半桥配置范围为 6mOhms 以上。碳化硅 MOSFET 经过银烧结，可提供卓越的散热和可靠性。此外，直接键合铜 （DBC） 基板由氮化硅 （Si3N4） 陶瓷上的活性金属钎焊 （AMB） 制造，是高功率循环应用的理想选择。优异的弯曲强度、高断裂韧性和优异的导热性使氮化硅（Si3N4）非常适合电力电子基板。

电动汽车、可再生能源和储能等增长市场正在推动更高的系统效率要求，只有 SiC 功率器件才能实现这些要求。